搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

C掺杂TiO薄膜的制备及其第一性原理研究

谢东 冷永祥 黄楠

引用本文:
Citation:

C掺杂TiO薄膜的制备及其第一性原理研究

谢东, 冷永祥, 黄楠

Deposition and first-principles caculation of carbon-doped titanium monoxide films

Xie Dong, Leng Yong-Xiang, Huang Nan
PDF
导出引用
  • TiO在微电子结构器件中有重要的应用前景. 本文以CO2作反应气体, 采用直流反应磁控溅射方法成功制备出C掺杂TiO薄膜. 采用XRD, XPS和四探针电阻计对薄膜结构、成分和电阻率进行表征. 在实验结果的基础之上建立起TiO和C掺杂TiO的计算模型并采用第一性原理 方法计算其能带结构和电子态密度. 实验结果表明薄膜相结构为面心立方的岩盐结构, C取代O的阴离子掺杂为主要掺杂方式, 薄膜电阻率为52.2 μΩ·cm. 第一性原理计算结果表明, 费米能级穿过TiO的导带, TiO具有金属性导电的能带结构特征; C掺杂TiO 后, 其金属性导电的能带结构没有改变, 只是在费米面附近出现C 2p态提供的杂质能级, 杂质能级扩展了TiO的导带宽度并提高了费米面附近的电子能态密度, 从而导至TiO电导增加, 电阻率降低. 第一性原理计算结果与实验结果一致.
    Carbon-doped titanium monoxide films were successfully fabricated using CO2 as reactive gas by means of DC reactive magnetron sputtering. Phase tructure, composition and resistivity of the fabricated films were investigated by using X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and four point probe method. Results show that the fabricated film has a cubic phase structure, and the carbon element exists mainly as anion in the lattice of C-TiO. The resistivity of C-TiO is 52.2 μΩ·cm which is lower than that of pure TiO. Results of first principles calculation show that the Fermi levels of both TiO and C-TiO lie in their conduction bands, thus TiO and C-TiO have characteristics of metal conduction. Also the results of first principles calculation show that impurity levels of C 2p lie near the conduction band of C-TiO, which extend the width of conduction band and increase the density of states near the Fermi level of C-TiO, so the conductivity of C-TiO is larger than that of undoped TiO. The theoretical calculations are in agreement with experiment results.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:81171462)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:SWJTU11CX078,SWJTU12ZT08)资助的项目.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 81171462), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (Grant Nos. SWJTU11CX078, SWJTU12ZT08).
    [1]

    Huang N, Yang P, Leng Y X, Chen J Y, Sun H, Wang J, Wan G J, Ding P D, Xi T F, Leng Y 2003 Biomaterials 24 2177

    [2]

    Han F, Kambala V, Srinivasan M, Rajarathnam D, Naidu R 2009 Appl. Cata. A 359 25

    [3]

    Linsebigler A L, Lu G Q, Yates J T 1995 Chem. Rev. 95 735

    [4]

    Reintjes J, Schultz M B 1968 J. Appl. Phys. 39 5234

    [5]

    Leary R, Westwood A 2011 Carbon 49 741

    [6]

    Woan K, Pyrgiotakis G, Sigmund W 2009 Adv. Mater. 21 2233

    [7]

    Yun H, Li J, Chen H B 2007 Electrochim. Acta 52 6679

    [8]

    Xu L, Tang C Q, Qian J 2010 Acta. Phys. Sin. 59 2721 (in Chinese) [徐凌, 唐超群, 钱俊 2010 物理学报 59 2721]

    [9]

    Hossain F M, Murch G E, Sheppard L 2007 Solid State Ionics 178 319

    [10]

    Ma X G, Tang C Q, Yang X H 2007 J. Theor. Comput. Chem. 6 23

    [11]

    Assim E M 2008 J. Alloys Compd. 465 1

    [12]

    Chae G S, Soh H S, Lee W H, Lee J G 2001 J. Appl. Phys. 90 411

    [13]

    Martev I N 2000 Vacuum 58 327

    [14]

    Liu J B, Zhong H, Dai Y Y, Zhong H Y 2007 Chin. J. Rare Met. 31 70 (in Chinese) [刘继波, 钟晖, 戴艳阳, 钟海云 2007 稀有金属 31 70]

    [15]

    Vershina A K, AgtevV A, Pleskachevskii I Y 1996 Fiz. Khim. Obrab. Mater. 5 45

    [16]

    Wen F, Zhang C, Xie D, Sun H, Leng Y X 2013 Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B 307 381

    [17]

    Leng Y X, Chen J Y, Wang J, Wan G J, Sun H, Yang P, Huang N 2006 Surf. Coat. Tech. 201 157

    [18]

    Chen G S, Lee C C, Niu H, Huang W, Jannd R, Chttee T 2008 Thin Solid Films 516 8473

    [19]

    Moulder J F, Stickle W F, Sool P E, Bomben K D 1992 Handbook of X-ray photoelectronspectroscopy (Perkin-Elmer, Eden Prairite)

    [20]

    Cao Y, Li H L 1999 Acta. Phys. Chim. Sin. 15 895 (in Chinese) [曹亚, 李惠林 1999 物理化学学报 15 895]

    [21]

    Zhang L, Koka R V 1998 Mater. Chem. Phys. 57 23

    [22]

    Grigorov K G, Grigorov G I, Drajeva L, Bouchier D, Sporken R, Caudano R 1998 Vacuum 51 153

    [23]

    Bartkowski S, Neumann M, Kurmaev E Z, Fedorenko V V, Shamin S N, Cherkashenko V M, Nemnonov S N, Winiarski A, Rubie D C 1997 Phys. Rev. B Condens. Matter 56 10656

    [24]

    Yang K, Dai Y, Huang B 2009 J. Phys. Chem. C 113 2624

    [25]

    Segall M D, LindanP J D, Probert M J 2002 J. Phys.: Condens. Matter 14 2717

    [26]

    Hou Q Y, Zhao C W, Jin Y J 2009 Acta. Phys. Sin. 58 7136 (in Chinese) [侯清玉, 赵春旺, 金永军 2009 物理学报 58 7136]

    [27]

    Liu E K, Zhu B S, Luo J S 1998 Semiconductor Physics (Xi’an: Xian Jiaotong University Press) p102 (in Chinese) [刘恩科, 朱秉升, 罗晋生 1998 半导体物理 (西安: 西安交通大学出版社) 第102页]

    [28]

    Gao G Y, Hu L, Yao K L, Luo B, Liu N 2013 J. Alloys Compd. 551 539

  • [1]

    Huang N, Yang P, Leng Y X, Chen J Y, Sun H, Wang J, Wan G J, Ding P D, Xi T F, Leng Y 2003 Biomaterials 24 2177

    [2]

    Han F, Kambala V, Srinivasan M, Rajarathnam D, Naidu R 2009 Appl. Cata. A 359 25

    [3]

    Linsebigler A L, Lu G Q, Yates J T 1995 Chem. Rev. 95 735

    [4]

    Reintjes J, Schultz M B 1968 J. Appl. Phys. 39 5234

    [5]

    Leary R, Westwood A 2011 Carbon 49 741

    [6]

    Woan K, Pyrgiotakis G, Sigmund W 2009 Adv. Mater. 21 2233

    [7]

    Yun H, Li J, Chen H B 2007 Electrochim. Acta 52 6679

    [8]

    Xu L, Tang C Q, Qian J 2010 Acta. Phys. Sin. 59 2721 (in Chinese) [徐凌, 唐超群, 钱俊 2010 物理学报 59 2721]

    [9]

    Hossain F M, Murch G E, Sheppard L 2007 Solid State Ionics 178 319

    [10]

    Ma X G, Tang C Q, Yang X H 2007 J. Theor. Comput. Chem. 6 23

    [11]

    Assim E M 2008 J. Alloys Compd. 465 1

    [12]

    Chae G S, Soh H S, Lee W H, Lee J G 2001 J. Appl. Phys. 90 411

    [13]

    Martev I N 2000 Vacuum 58 327

    [14]

    Liu J B, Zhong H, Dai Y Y, Zhong H Y 2007 Chin. J. Rare Met. 31 70 (in Chinese) [刘继波, 钟晖, 戴艳阳, 钟海云 2007 稀有金属 31 70]

    [15]

    Vershina A K, AgtevV A, Pleskachevskii I Y 1996 Fiz. Khim. Obrab. Mater. 5 45

    [16]

    Wen F, Zhang C, Xie D, Sun H, Leng Y X 2013 Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B 307 381

    [17]

    Leng Y X, Chen J Y, Wang J, Wan G J, Sun H, Yang P, Huang N 2006 Surf. Coat. Tech. 201 157

    [18]

    Chen G S, Lee C C, Niu H, Huang W, Jannd R, Chttee T 2008 Thin Solid Films 516 8473

    [19]

    Moulder J F, Stickle W F, Sool P E, Bomben K D 1992 Handbook of X-ray photoelectronspectroscopy (Perkin-Elmer, Eden Prairite)

    [20]

    Cao Y, Li H L 1999 Acta. Phys. Chim. Sin. 15 895 (in Chinese) [曹亚, 李惠林 1999 物理化学学报 15 895]

    [21]

    Zhang L, Koka R V 1998 Mater. Chem. Phys. 57 23

    [22]

    Grigorov K G, Grigorov G I, Drajeva L, Bouchier D, Sporken R, Caudano R 1998 Vacuum 51 153

    [23]

    Bartkowski S, Neumann M, Kurmaev E Z, Fedorenko V V, Shamin S N, Cherkashenko V M, Nemnonov S N, Winiarski A, Rubie D C 1997 Phys. Rev. B Condens. Matter 56 10656

    [24]

    Yang K, Dai Y, Huang B 2009 J. Phys. Chem. C 113 2624

    [25]

    Segall M D, LindanP J D, Probert M J 2002 J. Phys.: Condens. Matter 14 2717

    [26]

    Hou Q Y, Zhao C W, Jin Y J 2009 Acta. Phys. Sin. 58 7136 (in Chinese) [侯清玉, 赵春旺, 金永军 2009 物理学报 58 7136]

    [27]

    Liu E K, Zhu B S, Luo J S 1998 Semiconductor Physics (Xi’an: Xian Jiaotong University Press) p102 (in Chinese) [刘恩科, 朱秉升, 罗晋生 1998 半导体物理 (西安: 西安交通大学出版社) 第102页]

    [28]

    Gao G Y, Hu L, Yao K L, Luo B, Liu N 2013 J. Alloys Compd. 551 539

  • [1] 林洪斌, 林春, 陈越, 钟克华, 张健敏, 许桂贵, 黄志高. 第一性原理研究Mg掺杂对LiCoO2正极材料结构稳定性及其电子结构的影响. 物理学报, 2021, 70(13): 138201. doi: 10.7498/aps.70.20210064
    [2] 刘飞, 文志鹏. Zr, Nb, V在α-Fe(C)中的占位、电子结构及键合作用的第一性原理研究. 物理学报, 2019, 68(13): 137101. doi: 10.7498/aps.68.20182282
    [3] 戚玉敏, 陈恒利, 金朋, 路洪艳, 崔春翔. 第一性原理研究Mn和Cu掺杂六钛酸钾(K2Ti6O13)的电子结构和光学性质. 物理学报, 2018, 67(6): 067101. doi: 10.7498/aps.67.20172356
    [4] 丁超, 李卫, 刘菊燕, 王琳琳, 蔡云, 潘沛锋. Sb,S共掺杂SnO2电子结构的第一性原理分析. 物理学报, 2018, 67(21): 213102. doi: 10.7498/aps.67.20181228
    [5] 赵佰强, 张耘, 邱晓燕, 王学维. Cu,Fe掺杂LiNbO3晶体电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(1): 014212. doi: 10.7498/aps.65.014212
    [6] 杨彪, 王丽阁, 易勇, 王恩泽, 彭丽霞. C, N, O原子在金属V中扩散行为的第一性原理计算. 物理学报, 2015, 64(2): 026602. doi: 10.7498/aps.64.026602
    [7] 徐晶, 梁家青, 李红萍, 李长生, 刘孝娟, 孟健. Ti掺杂NbSe2电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(20): 207101. doi: 10.7498/aps.64.207101
    [8] 周树兰, 赵显, 江向平, 韩晓东. 立方相Na1/2Bi1/2TiO3和K1/2Bi1/2TiO3的电子结构和结构不稳定性的第一性原理比较研究. 物理学报, 2014, 63(16): 167101. doi: 10.7498/aps.63.167101
    [9] 谢知, 程文旦. TiO2纳米管电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(24): 243102. doi: 10.7498/aps.63.243102
    [10] 王爱玲, 毋志民, 王聪, 胡爱元, 赵若禺. 新型稀磁半导体Mn掺杂LiZnAs的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(13): 137101. doi: 10.7498/aps.62.137101
    [11] 吴木生, 徐波, 刘刚, 欧阳楚英. Cr和W掺杂的单层MoS2电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(3): 037103. doi: 10.7498/aps.62.037103
    [12] 袁娣, 黄多辉, 罗华锋. Be, O共掺杂实现p型AlN的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(14): 147101. doi: 10.7498/aps.61.147101
    [13] 王寅, 冯庆, 王渭华, 岳远霞. 碳-锌共掺杂锐钛矿相TiO2 电子结构与光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(19): 193102. doi: 10.7498/aps.61.193102
    [14] 李聪, 侯清玉, 张振铎, 赵春旺, 张冰. Sm-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的电子结构和吸收光谱影响的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(16): 167103. doi: 10.7498/aps.61.167103
    [15] 袁娣, 罗华锋, 黄多辉, 王藩侯. Zn,O共掺杂实现p型AlN的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(7): 077101. doi: 10.7498/aps.60.077101
    [16] 朱兴华, 张海波, 杨定宇, 王治国, 祖小涛. C/SiC纳米管异质结电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(11): 7961-7965. doi: 10.7498/aps.59.7961
    [17] 毕艳军, 郭志友, 孙慧卿, 林 竹, 董玉成. Co和Mn共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(12): 7800-7805. doi: 10.7498/aps.57.7800
    [18] 丁少锋, 范广涵, 李述体, 肖 冰. 氮化铟p型掺杂的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(7): 4062-4067. doi: 10.7498/aps.56.4062
    [19] 段满益, 徐 明, 周海平, 沈益斌, 陈青云, 丁迎春, 祝文军. 过渡金属与氮共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(9): 5359-5365. doi: 10.7498/aps.56.5359
    [20] 潘志军, 张澜庭, 吴建生. 掺杂半导体β-FeSi2电子结构及几何结构第一性原理研究. 物理学报, 2005, 54(11): 5308-5313. doi: 10.7498/aps.54.5308
计量
  • 文章访问数:  5126
  • PDF下载量:  946
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2013-05-12
  • 修回日期:  2013-06-23
  • 刊出日期:  2013-10-05

/

返回文章
返回