基于高效声子计算寻找氟化钨金属原子层沉积的温度窗口

我们利用基于周期性密度泛函理论（DFT）的第一性原理热力学方法，考察了氧化氟化钨表面与氢气反应的气相-表面化学过程。这一反应系统是氟化钨薄膜通过原子层沉积（ALD）成长的关键步骤。我们再现并阐释了实验观察到的：仅在温度超过 100{\deg}C 的狭窄温度窗口内，才能实现从 RuO4 和 H2 的金属沉积。这验证了该方法的有效性。具体而言，对 H2 试剂的各种可能反应计算了温度依赖的反应自由能，发现表面氧化物被还原生成水分子，而水分子预计将在 113{\deg}C 以上通过热脱附，从而暴露出可进一步反应生成表面氢化物的裸露 Ru 表面，从而实现 Ru 金属的沉积。饱和覆盖度给出了 Ru 沉积速率为 0.7 \r{A}/周期的预测。在较低温度下，自由能表明水分子被保留在表面并与 RuO4 前体反应，形成氧化物薄膜，亦与实验结果一致。通过在谐挡近似下计算声子贡献的 Gibbs 自由能修正，获得了该温度依赖性。利用在云计算架构上并行计算的 Schr"odinger 材料科学套件，快速高效地计算了表面声子。我们还指出，气体的旋转和平移熵占据主导地位，允许一种无需声子计算的替代方法，这种方法适用于快速筛选气相-表面化学性质。