Charge Density and Density of States (DOS) of Monoclinic ZrO2 Using Meta-GGA DFT Functional

Abstract

У фізиці твердого тіла та фізиці конденсованої речовини густина станів (DOS) визначає кількість електронних станів, які можуть бути зайняті та мають певну енергію в розглянутому матеріалі. Цю величину можна обчислити, якщо відоме дисперсійне співвідношення. DOS можна розрахувати для широкого спектру систем. Деякі квантові системи мають симетрію завдяки своїй кристалічній структурі, що спрощує розрахунок DOS. Загальна DOS є параметром, який дозволяє визначити властивості електронної провідності матеріалу. Для кожного атома кристалу ми визначаємо радіус сфери, всередині якої проектуємо електронну густину на сферичні гармоніки (типи s, p, d, або f). Часткові DOS використовуються для ідентифікації структури хімічних зв'язків у кристалі. Дослідження з перших принципів густини заряду та DOS моноклінного ZrO2 (m-ZrO2) виконано за допомогою DFT (теорії функціоналу густини) з функціоналом m-GGA (TPSS) для обмінно-кореляційного потенціалу, наближення псевдопотенціалу (PP) та STO (орбіталі типу Слейтера) як основних функцій, інтегрованих в код ADF-BAND. Оксид цирконію (ZrO2) є high-k діелектриком (k ≈ 25 і Eg ≈ 6 еВ). ZrO2 є багатообіцяючим high-k діелектричним кандидатом на заміну SiO2 як оксиду затвора в CMOS, оскільки він поєднує чудові механічні, термічні, хімічні та діелектричні властивості.

In solid-state physics and condensed matter physics, the density of states (DOS) quantifies the number of electronic states susceptible to be occupied and possessing a defined energy in the considered material. This quantity can be calculated as soon as the dispersion relation is known. DOS can be calculated for a wide variety of systems. Certain quantum systems have symmetry due to their crystal structure, which simplifies the calculation of DOS. The total DOS is a parameter that allows determining the electronic conduction properties of a material. For each atom of the crystal, we determine a sphere of radius, inside which we project the electron density onto spherical harmonics (type: s, p, d, or f). The partial DOS are used to identify the structure of chemical bonds in a crystal. A first-principles study of the charge density and DOS of monoclinic ZrO2 (m-ZrO2) is performed using DFT (density functional theory) with m-GGA (TPSS) functional for the exchange correlation potential, pseudopotential (PP) approximation and STO (Slater Type Orbital) as basic functions integrated in the ADF-BAND code. Zirconium oxide (ZrO2) is a high-k dielectric (k ≈ 25 and Eg ≈ 6 eV). ZrO2 is a promising high-k dielectric candidate to replace SiO2 as gate oxide in CMOS because it combines excellent mechanical, thermal, chemical, and dielectric properties.