Atomic and electronic transport on surfaces and interfaces

Abstract

The properties of interfaces and surfaces play a key role in the functional design of many technologies, particularly in the development of next generation micro-electronic devices and nanocatalysts. In micro-electronics, hafnia is seen as a reliable replacement for silica in modern transistors, yet little is known about its interface with silicon and probable defects formed. Similarly, the formation of metallic nanoparticles on insulators is a promising route to new catalytically active materials, but much work is needed to understand the dynamical growth of these particles on surfaces from deposited metal atoms.

In this thesis we have modeled the properties of defects in silicon-hafnia interfaces and metal adatoms on alkali halide surfaces. The calculations have been performed within the density-functional theory (DFT), supported by electron transport calculations for the interface studies. Although these results have been successful in building our understanding, we have identified the need to enhance the accuracy of the standard DFT approach without sacrificing computational speed. For this we have implemented efficient hybrid functionals into the SIESTA code and shown that it indeed improves our description of critical materials' properties.

Pintojen ja rajapintojen ominaisuudet ovat merkittävässä roolissa kehitettäessä useita teknologioita. Mikroelektronisten laitteiden kohdalla hafniumoksidi nähdään luotettavana vaihtoehtona korvaamaan piioksidi seuraavan sukupolven transistoreissa. Kuitenkin sen rakenteesta ja virheiden muodostumisesta piin rajapinnassa tiedetään varsin vähän. Vastaavasti nanokatalyysin kohdalla metalliset nanopartikkelit eristepinnoilla tarjoavat lupaavan polun luoda uusia katalyyttisesti aktiivisia materiaaleja. Mutta paljon työtä vaaditaan, jotta ymmärretään näiden partikkelien muodostumista ja kasvua pinnoille tuoduista metalliatomeista.

Tässä väitöskirjassa on mallinnettu virheiden ominaisuuksia pii-hafiumoksidi-rajapinnoilla ja metallisten atomien diffuusiota alkalihalidipinnoilla. Laskut on suoritettu käyttäen tiheysfunktionaaliteoriaa (DFT). Lisäksi rajapintojen kohdalla on tutkimusta täydennetty mallintamalla elektronien kuljetusta. Tulokset ovat antaneet erinomaista tietoa tutkituista ominaisuuksista, mutta samalla näille rakenteille olemme havainneet, että tiheysfunktionaaliteoriassa käytettävien funktionaalien tarkkuutta tulee parantaa. Tätä varten olemme implementoineet tehokkaan hybridifunktionaalimenetelmän SIESTA koodiin ja osoittaneet, että tämä todella parantaa laskennallista kuvaa materiaalien ominaisuuksista.