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A DFT Study of the Components of a Hf/HfO2/TiN three-layer stack
Estudio DFT de los componentes de una interfaz de tres capas Hf/HfO2/TiN
Registro en:
10.18272/aci.v5i2.130
Autor
Fraga, Jorge F.
Prócel, Luis Miguel
Trojman, Lionel
Torres, Francisco Javier
Institución
Resumen
In the present study, the unit cells of metallic Hafnium (Hf), Hafnium Oxide (HfO2), and Titanium Nitride (TiN), which are the components of a novel Hf/HfO2/TiN three-layer stack with great potential for applications in nanoelectronics, are theoretically described by employing the plane wave pseudopotential approach as implemented in the Vienna Ab Initio Simulation Package (VASP). All the calculations are performed within the Generalized Gradient Approximation (GGA) by adopting the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) functional. As a result of the present study, a systematic procedure for the quantum-mechanical simulation of each system is proposed as follows: (i) construction of the model from experimental data, (ii) determination of the optimal value of the plane wave energy cutoff, (iii) optimization of the parameter that defines the number of κ-points in the reciprocal space, and (iv) geometry optimization of the cell parameters and atomic positions. In the specific case of the HfO2 system, on-site Coulomb corrections (GGA+U method) are applied to calculate an accurate energy band gap value. En el presente estudio, las celdas unitarias del hafnio metálico (Hf), óxido de hafnio (HFO2), y nitruro de titanio (TiN), que son los componentes de una interfaz innovadora de tres capas: Hf/HFO2/TiN, que posee gran potencial para aplicaciones en nanoelectrónica, es descrita teóricamente mediante la aproximación de pseudopotenciales y ondas planas como se encuentra implementado en el Paquete de Simulación Ab Initio de Vienna (VASP).
Todos los cálculos se realizan usando la Aproximación del Gradiente Generalizado (GGA), con el funcional de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE). Como resultado del presente estudio, se propone un procedimiento sistemático para la simulación mecánico cuántica de cada sistema, resumido de la siguiente manera: (i) la construcción del modelo a partir de datos experimentales, (ii) determinación del valor óptimo de la energía de corte para las ondas planas, (iii) optimización del parámetro que determina el número de puntos κ en el espacio recíproco, y (iv) la optimización de la geometría de las posiciones atómicas y de los parámetros de celda. En el caso específico del HfO2, se aplica el método de correcciones coulómbicas localizadas (GGA+U) para calcular un bandgap de energía más exacto.