Titelaufnahme

Titel
Computational materials science: oxide-semiconductor interfaces and atomic fragments for the description of condensed matter / Clemens Först
VerfasserFörst, Clemens
Begutachter / BegutachterinSchwarz, Karlheinz ; Varga, Peter
Erschienen2004
Umfang226 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., u. Clausthal, Techn. Univ., Diss., 2004
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Werkstoffkunde / Computerunterstütztes Verfahren / Strontiumtitanat / Silicium / Wachstum / Simulation / Atom / Fragment / Ladungsdichtewelle / Berechnung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-13567 Persistent Identifier (URN)
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Computational materials science: oxide-semiconductor interfaces and atomic fragments for the description of condensed matter [10.46 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit grundlagentheoretischen und anwendungsorientierten Aspekten von computerunterstützter Materialwissenschaft. Die Entwicklung verlässlicher Modelle sowie das exponentielle Wachstum der Rechenleistung haben dazu geführt, dass Computersimulationen, gleichberechtigt mit Experimenten und analytischer Theorie, die Basis moderner Forschung bilden.

Der erste Teil dieser Arbeit gibt einen Überblick über die grundlegenden Konzepte von Modellbildung und Simulation im Bereich der Festkörperphysik. Der Schwerpunkt wird dabei auf jene Aspekte gelegt, die im Rahmen zweier durchgeführter Projekte benötigt werden.

Das erste Projekt beschäftigt sich mit dem Aufwachsen von Strontiumtitanat auf Silizium. Eine weitere Beschleunigung, also Verkleinerung von Halbleiterbauelementen macht es notwendig, das bisher als Isolatormaterial in Transistoren verwendete Siliziumdioxid durch Übergangsmetalloxide zu ersetzen. Auf der Basis von ab-initio Molekulardynamiksimulationen konnte erstmals die Grenzfläche zwischen Silizium und einem solchen Oxid anhand von Strontiumtitanat aufgeklärt werden. Die Simulationen sind mit experimentellen Ergebnissen kompatibel, resultieren jedoch in einem neuen Wachstumsprinzip von Oxiden auf Halbleitern. Aus dem Verständnis der Grenzflächenchemie konnte weiterhin eine Methode vorgeschlagen werden, um den Bandkantenabstand, eine wesentliche elektrische Eigenschaft, gezielt zu beeinflussen.

Das zweite Projekt befasst sich mit der Berechnung von atomaren Fragmentladungsdichten. Die Einführung eines neuen atomaren Basissatzes von knotenlosen Wellenfunktionen ermöglicht es erstmals, die Pauli-Repulsion von Atomen durch ab-initio Potentialterme zu beschreiben. Dadurch lässt sich die Verformung eines freien Atoms in einem Molekül- oder Kristallverband berechnen. Die resultierenden deformierten Orbitale bilden einen an die Geometrie angepassten, lokalisierten Basissatz, der für viele Anwendungen wie Analyse der Elektronenstruktur, tight-binding Verfahren oder order-N Methoden geeignet ist.

Zusammenfassung (Englisch)

This thesis deals with theoretical and practical aspects of computational materials science. The development of reliable models as well as the exponential growth of microprocessor performance has led to a situation where simulation, next to experiment and analytical theory, constitutes a third field of modern research.

The first part of this thesis gives an overview of the basic concepts of atomistic modeling and simulation for condensed matter applications.

Emphasis is given to those aspects needed for the two projects pursued in the course of this thesis.

The first project deals with the growth of strontium titanate on silicon. Further miniaturization of semiconductor devices, necessary to produce faster microprocessors, requires the replacement of silicon dioxide as the insulating material in transistors by transition metal oxides. Based on ab-initio molecular dynamics simulations, the interface structure and chemistry between silicon and such an oxide could be unraveled for strontium titanate. While the simulations are compatible with experimental results, they provide a new picture of the chemical binding between silicon and oxides. From the understanding of the interface chemistry we can propose a method of how the band offsets, a crucial parameter for device applications, can be engineered.

The second project is concerned with the calculation of atomic fragment orbitals. The introduction of a novel atomic basis-set composed of nodeless wave-functions enables us to describe the Pauli-repulsion of atoms by ab-initio potentials. This allows us to compute the deformation of an isolated atom upon transfer into a molecule or solid. The resulting orbitals consitute a geometry-adapted and localized basis which is suitable for many applications including the analysis of the electronic structure as well as tight-binding calculations or order-N methods.