dc.contributor.author
Freysoldt, Christoph
dc.date.accessioned
2018-06-07T18:22:15Z
dc.date.available
2007-05-31T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/4950
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-9149
dc.description
0 Title page and table of contents
1 Insulator films: from basic research to technological applications 1
2 Theoretical framework 8
2.1 Density functional theory (DFT) 11
2.1.1 The exchange-correlation functional 14
2.1.2 Comparison of DFT results to experiments 15
2.2 Solving the Kohn-Sham equations: implementation and additional
approximations 16
2.2.1 Plane-waves 16
2.2.2 Pseudopotentials 18
2.2.3 k-points 19
2.3 Many-body perturbation theory 20
2.3.1 Single-particle excitations in electron spectroscopy 20
2.3.2 Hedin's equations and the GW approximation 24
2.3.3 The quasiparticle equation 26
2.3.4 GW implementation: the space-time method 28
3 GW for surfaces and thin films 32
3.1 Repeated-slab approach 32
3.2 The long-range tail of W 34
3.2.1 k-point sampling and interaction cell 35
3.2.2 The computation of W in reciprocal space 36
3.2.3 Anisotropy in the screened interaction 37
3.3 Screening in slab systems 42
3.3.1 Dielectric model 42
3.3.2 Parallel k-point sampling 43
3.3.3 Periodic repetition in the repeated-slab approach 52
3.4 Summary 56
4 Ultrathin oxides: representative surface models or unique films? 58
4.1 Introduction 58
4.2 Properties of the bulk materials 61
4.2.1 Sodium chloride 61
4.2.2 α-Quartz 62
4.2.3 α-Alumina 64
4.2.4 Cubic hafnia 65
4.2.5 Comparison of the oxides 66
4.3 Substrate influence for silica films 67
4.3.1 Atomic structure: the siloxane surface 67
4.3.2 Electronic structure 73
4.3.3 Comparison to UPS and MIES experiments 76
4.3.4 How well do supported monolayer films model realistic surfaces? 80
4.4 Thickness dependence in freestanding films 81
4.4.1 α-Quartz 82
4.4.2 α-Alumina 86
4.4.3 Cubic hafnia 89
4.5 Summary 91
5 Excited-state perspectives of ultrathin films 94
5.1 Freestanding slabs 96
5.2 NaCl films on Ge(001) 101
5.2.1 Experimental situation 101
5.2.2 Atomic structure of the interface 103
5.2.3 G0W0 calculations 107
5.3 Image effects in oxide films 117
5.4 Summary 120
6 Conclusions 121
6.1 Summary 121
6.2 Outlook 124
Appendix 127
A Abbreviations 127
B Dielectric models 129
B.1 Image-charge method for dielectric layer models 129
B.2 Connection to G0W0: the static COHSEX approximation 132
C Ultrathin oxide films 135
C.1 Alternative terminations for the α-quartz (0001) 135
C.2 Surface-projected density of states 137
D NaCl films 139
D.1 Atomic orbital projections 139
D.2 NaCl: the character of the bulk conduction band 140
D.3 Structure of the NaCl/Ge(001) interface 144
D.4 STM simulations 146
E Computer code developments 149
E.1 Green's function 150
E.2 Block inversion of Hermitean packed matrices 152
E.3 Disk storage 155
E.4 Efficient computation of the matrix elements of r 157
F Computational parameters 160
F.1 Pseudopotentials 160
F.2 DFT-LDA calculations 160
F.3 G0W0 calculations 161
F.3.1 Time-frequency grids 161
F.3.2 System-dependent convergence parameters 161
F.3.3 Band cutoff 162
Bibliography 165
dc.description.abstract
Insulator surfaces and thin films play an important role in a variety of
technological applications such as electronic devices or heterogeneous
catalysts. Aiming at an atomistic understanding of the complex materials found
in real applications, ultrathin epitaxial films are frequently studied as
simplified model systems. Unlike their bulk and surface counterparts they are
- when grown on metals or semiconductors - amenable to the arsenal of
sophisticated surface science techniques currently available. In this thesis,
first-principles calculations based on density-functional theory (DFT) and
many-body perturbation theory in the GW approximation have been performed to
clarify if these systems are indeed representative surface models or unique
films instead. In other words how do ultrathin films differ from their
macroscopic counterparts? The substrate-induced changes in a supported film's
atomic and electronic structure are investigated for a silica film on Mo(112)
by comparing it to the closely related α-quartz (0001) surface, and found to
be significant. It is then demonstrated for three characteristic wide-gap
oxides (silica, alumina, and hafnia) that films of 1-2 monolayer thickness
generally show noticeable differences to thicker films.
The excited-state perspective is studied for NaCl on Ge(001) as a prototypical
insulator/semiconductor interface by means of G0W0 calculations. First, the
reliability of the repeated-slab approach, the standard technique to describe
films or surfaces with plane-wave methods, for G0W0 is established for
freestanding NaCl films by a thorough analysis of the relevant polarisation
effects at different length scales. It is found that the inter-slab
polarisation is non-negligible, but can easily be corrected for. The G0W0
corrections for NaCl films differ from those of the bulk case because they
include surface and interface polarisation effects for charged excited states
that are absent from DFT-LDA. These dielectric response effects can be
qualitatively reproduced by the classical theory of dielectric screening. For
free-standing films, the main effect is a thickness-dependent change in the
film's band gap. For supported films, on the other hand, an image-potential-
like z-dependence of the self-energy is observed. The implications of these
findings for molecular adsorbates and metallic substrates are discussed.
de
dc.description.abstract
In vielen technischen Anwendungen wie z. B. in der heterogenen Katalyse oder
in elektronischen Schaltkreisen spielen isolierende Oxidfilme oder
-oberflächen eine entscheidende Rolle. Darüber hinaus dienen Isolatorfilme in
der Grundlagenforschung als Modelloberflächen, um experimentell mehr über
fundamentale Eigenschaften oder Prozesse isolierender Oberflächen auf atomarer
Ebene zu erfahren, da hinreichend dünne Filme auf leitenden Substraten
(Metalle oder stark dotierte Halbleiter) im Gegensatz zu makroskopischen
Proben die Verwendung hochauflösender Oberflächentechniken wie
Rastertunnelmikroskopie oder Elektronenspektroskopie erlauben. Allerdings
zeigen die kürzlich aufgeklärten Strukturen experimenteller Oxidfilmsysteme
Filmdicken von nur 1-2 Monolagen und wecken Zweifel an der Vergleichbarkeit
mit den Oberflächen der Volumenmaterialien. Um diese Fragen systematisch zu
klären, wurden in der vorliegenden Arbeit ab-initio-Berechnungen an dünnen
Filmen für drei charakteristische Oxide (SiO2, Al2O3, HfO2) im Rahmen der
Dichtefunktionaltheorie in der lokalen Dichtenäherung (DFT-LDA) durchgeführt.
Der Einfluss des Metallsubstrats wurde anhand von Si2O5/Mo(112), des
experimentell wichtigsten Films von Siliziumoxid, untersucht. Im Vergleich mit
der strukturell verwandten Oberfläche von α-Quarz zeigen sich deutliche
Unterschiede in der atomaren und elektronischen Struktur der Oxidoberflächen.
Hinsichtlich der Filmdickenabhängigkeit ergeben sich für freistehende Filme
aller drei Oxide deutliche Veränderungen, wenn eine kritische Dicke von 3-4
Monolagen unterschritten wird.
Der Vergleich mit experimentellen Einteilchen-Anregungsenergien erfordert
Korrekturen zu den DFT-LDA-Bandstrukturen, die sich mit
Vielteilchenstörungstheorie in der GW-Näherung berechnen lassen. Allerdings
müssen im Superzellenansatz (dem Standardverfahren zur Beschreibung von
Oberflächen und Filmen) langreichweitige Polarisationseffekte berücksichtigt
werden. In dieser Arbeit wurden diese Effekte und das sich daraus ergebende
Konvergenzverhalten systematisch evaluiert und ein praktisches Verfahren
gefunden, um GW-Resultate für das isolierte System zu extrapolieren. Dieses
Verfahren wurde dann auf NaCl/Ge(001) als prototypisches Isolator-Halbleiter-
System angewendet. Die G0W0-Korrekturen für Filme unterscheiden sich von denen
des Volumenmaterials, da Oberflächen- und Grenzflächen-Polarisationseffekte
auftreten, die in der DFT-LDA-Bandstruktur fehlen, sich aber mit
dielektrischen Modellen physikalisch verstehen lassen. Bei freistehenden
Filmen bewirkt die Oberflächenpolarisation eine filmdickenabhängige Öffnung
der Bandlücke. Bei aufgewachsenen Filmen beobachtet man dagegen eine
bildpotential-artige z-Abhängigkeit der Selbstenergie. Die Auswirkungen
solcher Effekte bei Adsorbaten und Metallsubstraten werden diskutiert.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
insulator thin films
dc.subject
68.35.-p 68.47.Gh 73.20.At
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
dc.title
Ultrathin insulator films from first principles: a ground and excited-state
perspective
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Matthias Scheffler
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. E.K.U. Gross
dc.date.accepted
2007-05-07
dc.date.embargoEnd
2007-07-04
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000003037-1
dc.title.translated
Ultradünne Isolatorfilme - ab-initio-Berechnungen für Grund- und angeregte
Zustände
de
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000003037
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2007/405/
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000003037
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access