一种检测柱状自组装薄膜结构的方法及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种检测柱状自组装薄膜结构的方法，包括：分别构建材料A和与基板最稳定的界面结构a，以及材料B和与基板最稳定的界面结构b；分别计算界面结构a的界面结合能(EfA)，以及界面结构b的界面结合能(EfB)；计算界面结合能(EfA)与界面结合能(EfB)的差值，若所述差值大于零，则材料A形成为纳米柱镶嵌在材料B中；若所述差值小于零，则材料B形成为纳米柱镶嵌在材料A中。采用本发明专利技术实施例提供的判断竖直柱状自组装薄膜结构的方法能够预先确定所形成的竖直柱状自组装薄膜的结构，可以有选择性的制备竖直柱状自组装薄膜，节省了制备材料，提高了制备效率。

【技术实现步骤摘要】
一种检测柱状自组装薄膜结构的方法及其制备方法
本专利技术涉及薄膜与器件制备
，尤其是涉及一种检测柱状自组装薄膜结构的方法及其制备方法。
技术介绍
随着电子器件的快速发展，器件的小型化和多功能性成为了下一代电子设备的发展方向。为了实现器件的小型化，同时开发得到更多的新性能，科学家们将多个物理属性集成到一个系统中并对其进行大量探索。其中，很多科研工作人员发现竖直自组装的异质外延纳米结构：把纳米柱材料嵌入在另一种材料的基质中，令人兴奋的是这种结构时常表现出令人感兴趣的性能，如磁电耦合效应(MEEffect)、磁阻效应(MREffect)和光电电化学性能等等。基于此，竖直状自组装的异质外延纳米结构是非常值得研究的。但是，目前在本领域中，还没有哪一种方法能够预测材料A和材料B所形成的竖直状自组装薄膜中，哪一材料会形成纳米柱。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种检测柱状自组装薄膜结构的方法及其制备方法，通过构建材料A和与基板最稳定的界面结构a，以及材料B和与基板最稳定的界面结构b；计算界面结构a的界面结合能(EfA)，以及界面结构b的界面结合能(EfB)；根据界面结合能(EfA)与界面结合能(EfB)的大小确定A材料和B材料哪一种形成为竖直纳米柱，哪一种形成为基材，能够准确检测所形成的柱状薄膜的结构。技术人员可以根据上述计算结果确定该结构的薄膜是不是所需要的，如果是则技术人员对其进行大量制备，如果不是，就不需要进行制备，可以避免多次实验；同时，技术人员还可以根据材料的界面结合能设计所需的材料结构，在节约时间的同时节省了材料。为解决上述问题，本专利技术的第一方面提供了一种检测直柱状自组装薄膜结构的方法，包括：采用第一性原理的方法分别构建材料A和与基板最稳定的界面结构a，以及材料B和与基板最稳定的界面结构b；分别计算界面结构a的界面结合能(EfA)，以及界面结构b的界面结合能(EfB)；计算界面结合能(EfA)与界面结合能(EfB)的差值，若所述差值大于零，则由材料A和材料B所形成的柱状自组装薄膜的结构中，材料A为纳米柱材料，材料B为基体材料；若所述差值小于零，由材料A和材料B所形成的柱状自组装薄膜的结构中，材料B为纳米柱材料，材料A为基体材料。进一步地，界面结合能(EfA)的计算步骤包括：采用第一性原理的方法分别计算：A材料形成的薄膜和基板完全弛豫后最稳定时的总能量EA(薄膜/基板)、A材料形成的薄膜完全自由时的总能量EA(薄膜)、基板完全自由时的总能量E(基板)；根据公式计算界面结合能(EfA)，其中，公式为：界面结合能(EfA)＝[EA(薄膜/基板)-EA(薄膜)-E(基板)]/界面面积。进一步地，界面结合能(EfB)的计算步骤包括：采用第一性原理的方法分别计算：B材料形成的薄膜和基板完全弛豫后最稳定时的总能量EB(薄膜/基板)、B材料形成的薄膜完全自由时的总能量EB(薄膜)、基板完全自由时的总能量E(基板)；根据公式计算界面结合能(EfA)，其中，公式为：界面结合能(EfA)＝[EA(薄膜/基板)-EA(薄膜)-E(基板)]/界面面积。进一步地，第一性原理的方法的条件为：采用投影缀加波赝势PAW、电子交换关联泛函PBE中的广义梯度近似GGA和平面波截断能为450eV；其中，采用修正的四面体方法对第一性原理获得的全部数据进行优化处理，优化过程中K点的取值为3×3×1。进一步地，A材料、B材料和基板为单晶结构；优选的，A材料和/或B材料为多铁材料；A材料和/或B材料为铁磁材料。本法专利技术的另一方面，提供了一种制备柱状自组装薄膜的方法，包括：采用上述方法计算并确定待制备的薄膜的结构；采用脉冲激光沉积双靶交替生长系统对纳米柱材料连续打击m次后，对基体材料连续打击n次，打击的m次和n次构成一个打击循环；多次进行循环打击，控制每个循环在基板上所形成的厚度同时小于A材料和B材料的一个单胞高度。进一步地，采用脉冲激光沉积双靶交替生长系统对纳米柱材料连续打击m次之前，还包括：采用脉冲激光沉积系统在基板上生长一层厚度为10～50nm的外延氧化物底电极。本专利技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：(1)采用本专利技术实施例提供的判断竖直柱状自组装薄膜结构的方法能够预先确定所形成的竖直柱状自组装薄膜的结构，可以有选择性的制备竖直柱状自组装薄膜，节省了制备材料、提高制备效率。(2)采用第一性原理计算两个的界面结合能的方法为自组装薄膜的晶体结构提供了预测和实验指导。附图说明图1是本专利技术一实施方式提供的检测柱状自组装薄膜结构的方法流程示意图；图2是根据本专利技术第一实施例中构建的两种界面结构示意图；图3是根据本专利技术第二实施例中制备柱状自组装薄膜的方法流程示意图；图4是根据第二实施例制备的柱状自组装薄膜的结构示意图；图5是根据第二实施例制备外延物氧化物底电极的示意图；图6是根据本专利技术第二实施例制备竖直柱状自组装薄膜的装置结构示意图；图7是根据本专利技术第三实施例中构建的两种界面结构示意图；图8是根据本专利技术第四实施例中构建两种界面结构的示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。图1是本专利技术一实施方式提供的检测柱状自组装薄膜结构的方法流程示意图。如图1所示，该方法包括步骤S101-步骤S103；步骤S101，采用第一性原理的方法分别构建材料A和与基板最稳定的界面结构a，以及材料B和与基板最稳定的界面结构b。A材料、B材料与基板材料所构建的界面可能有很多中，分别计算A材料、B材料与基板材料所构建的多种界面结合能，分别在多种界面结合能中选择界面结合能最低的作为最稳定的界面结构a和最稳定的界面结构b，然后以最稳定的界面结构a和最稳定的界面结构b为研究对象。需要说明的是，通过计算机建立一个数学模型，该数学模型是关于两种材料以及基板中的各个原子、原子键、以及空间结构等等是如何展现的数学模型，通过在电脑上输入A材料的晶体结构及晶格参数、B材料的晶体结构及晶格参数以及基板的晶体结构及晶格参数，由技术人员通过操作计算机，构建可能存在材料A与基板材料形成的界面结构，以及构建可能存在的材料B与基板材料形成的界面结构。步骤S102，分别计算界面结构a的界面结合能(EfA)，以及界面结构b的界面结合能(EfB)。具体地，界面结合能(EfA)的计算步骤包括：采用第一性原理的方法分别计算：A材料形成的薄膜和基板完全弛豫后最稳定时的总能量EA(薄膜/基板)、A材料形成的薄膜完全自由时的总能量EA(薄膜)、基板完全自由时的总能量E(基板)；根据公式计算界面结合能(EfA)，其中，公式为：界面结合能(EfA)＝[EA(薄膜/基板)-EA(薄膜)-E(基板)]/界面面积。需要说明的是，采用第一性原理计算上述多个能量值时，由于材料A和基板的晶格常数会有稍许不同，所以材料A和基板之间会存在一定的晶格失配现象，而晶格失配现象会使制备出来的薄膜产生一定的应变，所以在计算EA(薄膜/基板)时，需通过在薄膜上调整材料A的晶格参数以使A材料和基底所形成的应变与实验结果得到的应变相一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测柱状自组装薄膜结构的方法，其特征在于，包括：采用第一性原理的方法分别构建材料A和与基板最稳定的界面结构a，以及材料B和与基板最稳定的界面结构b；分别计算所述界面结构a的界面结合能(EfA)，以及界面结构b的界面结合能(EfB)；计算界面结合能(EfA)与界面结合能(EfB)的差值，若所述差值大于零，则由材料A和材料B所形成的柱状自组装薄膜的结构中，材料A为纳米柱材料，材料B为基体材料；若所述差值小于零，由材料A和材料B所形成的柱状自组装薄膜的结构中，材料B为纳米柱材料，材料A为基体材料。

【技术特征摘要】
2018.08.28 CN 201810990785X1.一种检测柱状自组装薄膜结构的方法，其特征在于，包括：采用第一性原理的方法分别构建材料A和与基板最稳定的界面结构a，以及材料B和与基板最稳定的界面结构b；分别计算所述界面结构a的界面结合能(EfA)，以及界面结构b的界面结合能(EfB)；计算界面结合能(EfA)与界面结合能(EfB)的差值，若所述差值大于零，则由材料A和材料B所形成的柱状自组装薄膜的结构中，材料A为纳米柱材料，材料B为基体材料；若所述差值小于零，由材料A和材料B所形成的柱状自组装薄膜的结构中，材料B为纳米柱材料，材料A为基体材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述界面结合能(EfA)的计算步骤包括：采用第一性原理的方法分别计算：A材料形成的薄膜和基板完全弛豫后最稳定时的总能量EA(薄膜/基板)、A材料形成的薄膜完全自由时的总能量EA(薄膜)、基板完全自由时的总能量E(基板)；根据公式计算界面结合能(EfA)，其中，公式为：界面结合能(EfA)＝[EA(薄膜/基板)-EA(薄膜)-E(基板)]/界面面积。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述界面结合能(EfB)的计算步骤包括：采用第一性原理的方法分别计算：B材料形成的薄膜和基板完全弛豫后最稳定时的总能量EB(薄膜/基板)、B材料形成的薄膜完全自由时的总能量EB(薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜杰，杨琼，周益春，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43