Atomic and electronic transport on surfaces and interfaces

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2014-01-24
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
57 + app. 63
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 219/2013
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.
Description
Supervising professor
Nieminen, Risto, Distinguished Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Foster, Adam, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
density-functional theory, interfaces, surfaces, exchange, tiheysfunktionaaliteoria, pinnat, rajapinnat
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Hakala, M. H., Foster, A. S., Gavartin, J.L., Havu, P., Puska, M. J. and Nieminen R. M. Interfacial oxide growth at silicon/high-k oxide interfaces: First principles modeling of the Si-HfO2 interface, Journal of Applied Physics 100, 043708 (2006)
  • [Publication 2]: Havu, P., Havu V., Puska, M. J., Hakala, M. H., Foster, A. S. and Nieminen R. M. Finite-element implementation for electron transport in nanostructures, Journal of Chemical Physics 124, 054707 (2006)
  • [Publication 3]: Hakala, M. H., Pakarinen, O. H. and Foster, A. S., First principles study of adsorption, diffusion and charge stability of metal adatoms on alkali halide surfaces, Physical Review B 78, 045418 (2008)
  • [Publication 4]: Hakala, M. H. and Foster, A. S. Computationally efficient implementation of hybrid functionals in SIESTA, Aalto University publication series SCIENCE + TECHNOLOGY, 19 (2013)
Citation