Electronic Properties of α-Al2O3

Abstract

Фізика твердого тіла вивчає фундаментальні властивості твердих, кристалічних або аморфних матеріалів, енергетичних зон (зонних структур або електронних зонних структур) твердих тіл. Вона пояснює діапазон рівнів енергії, які електрони можуть мати всередині, і діапазон енергетичних рівнів, яких вони можуть не мати. Загалом, ці електрони мають можливість приймати значення енергії в певних діапазонах, які розділені забороненими енергетичними зонами. Цей підхід веде до обговорення зонної теорії. Зонна теорія отримує ці смуги і заборонені зони шляхом вивчення дозволених квантово-механічних хвильових функцій для електрона у великій періодичній решітці атомів або молекул. Зонна теорія була успішно використана для опису багатьох фізичних властивостей твердих тіл і є основою для розуміння всіх твердотільних пристроїв (транзисторів, діодів, сонячних елементів, тощо). У роботі за допомогою програми ADF-BAND розраховано електронні властивості α-Al2O3 (зонна структура, часткова та загальна густина станів (DOS), густина заряду). Розрахунки ґрунтуються на теорії функціоналу густини (DFT), наближенні псевдопотенціалу та орбіталі типу Слейтера (STO) як базових функціях з наближенням локальної щільності (LDA) та наближенням узагальненого градієнта (GGA). α-Al2O3 є high-k діелектриком і має чудові властивості (діелектрична проникність k ≈ 10 і пряма заборонена зона Eg ≈ 8.8 еВ). Al2O3, HfO2 та ZrO2 є багатообіцяючими high-k діелектричними кандидатами на заміну SiO2 як матеріалу затвора в MOS-транзисторах.

Solid-state physics is the study of the fundamental properties of solid, crystalline or amorphous materials, energy bands (band structures or electronic band structures) of solids, it explains the range of energy levels that electrons may have inside it, and the range of energy levels that they may not have. In general, these electrons have the possibility to take that energy values within certain ranges, which are separated by forbidden energy bands (named band gaps). This approach leads to the discussion of band theory. Band theory derives these bands and band gaps by studying the authorized quantum mechanical wave functions for an electron in a large, periodic lattice of atoms or molecules. The band theory has been successfully utilized to describe many physical properties of solids and forms the basis of comprehension of all solid-state devices (transistors, diodes, solar cells, etc.). In this work, the electronic proprieties (band structures, partial and total density of states (DOS), charge density) of α-Al2O3 are calculated using ADF-BAND program. The calculations are based on the density functional theory (DFT), pseudopotential approximation and Slater Type Orbital (STO) as basic functions, with local density approximation (LDA) and generalized gradient approximation (GGA). α-Al2O3 is a high-k dielectric and has excellent properties (dielectric constant k ≈ 10 and direct band gap Eg ≈ 8.8 eV). Al2O3, HfO2 and ZrO2 are the promising high-k dielectric candidates to replace SiO2 as the gate dielectric material in MOS transistors.