引言：金属与金属氧化物界面是最常见的一种异质界面，应用于很多领域中包括半导体器件，金属离子电池，固体氧化物燃料电池等。金属通常具有良好的导电性和更高的热膨胀系数还有比较好的脆性。而金属氧化物多为绝缘体或半导体，热膨胀系数小。由于金属和金属氧化物性质上具有较大的差异，所以想要形成强的界面的结合一般比较困难。并且作为一种特殊的面缺陷，界面结构通常比较复杂，对制备条件敏感，并且在使用过程中还受到环境条件的影响而不断变化。因此深入理解金属/金属氧化物的结构特征，界面性质，对材料设计，性能和寿命显然有重要的意义。故本课题研究金属铝和四氧化三钴复合界面电子结构和性质。
摘要：
界面问题的第一性原理计算具有其独特的研究方法。近年来国内外研究者们运用第一性原理方法，针对许多种类的金属-金属氧化物界面做了大量的计算探索和实践， 研究内容涉及界面结构稳定性、 界面结合强度、 界面偏聚和杂质效应的预测， 以及界面电子结构分析等等。 这些计算工作与实验观察结果相互验证， 为更好地认识界面的结构特征、界面现象及其效应、性能及其机理提供了有力的证据， 同时，也促进了计算材料界面科学这一门新兴学科的发展。引用于文献[1]
异质界面与通常的晶界或孪晶界都不同，它是由不同晶体相结构甚至不同化学成分的两自由表面组成。 通过相变析出或外延生长而形成的异质界面， 其两侧的晶体结构一般具有确定的位向关系， 我们把这种位向关系称之为界面的基本位向关系(orientation relation)。
近些年来，异质界面应用广泛，但结构复杂，故对界面研究的热度也在逐步上升。
例如对Zno(0001)/Co3O4(111)界面的磁性和电子结构研究的论文[2]，该论文在密度泛函数理论（DFT）[4]和广义梯度近似（GGA）下研究了Co3O4/ZnO的界面的原子和电子的结构，在QUANTUM ESPRESSO的软件包中实现。该论文还使用了赝势，它包含Zn的12个价电子，O的6个价电子，Co的9个价电子。采用局部自旋分解的广义梯度近似交换函数（SSGA）和所谓的SSGA U的近似，其中通过在哈伯德方法下考虑现场的库伦相互作用来思考3d壳层中电子的相互作用。优化Co3O4表面的几何形状并且我们在SGGA方法中对Co3O4/ZnO界面进行结构弛豫，随后利用SGGA U的方法对磁性结构和状态密度进行了计算。系统对所有内部坐标进行弛豫直到Hellmann-Feynman参数变得小于10-4a.u，同时保持了超晶胞的形状和体积固定。为了研究表面/界面磁性的起源，他们使用了两种类型的Co3O4（111）和两种ZnO（0001）/Co3O4(111)界面。虽然上述考虑的界面适于数值模拟，但除了（111）平面外，还通过实验观察了不同方向的界面[5,6,7,8,9]。然而正如下面所讨论的，（111）系统预测的主要磁特性，和实验观测材料中不同取向的界面也应该是一致的。
尖晶石（111）表面的体的末端原子结构在[111]方向上垂直于表面，可以被一系列的slab模型所描述，这列板中包括Co2 离子或Co2 和Co3 离子，并且被氧的slab模型所分开：O-Co2 -O-Co2 Co3 。包含该序列的基元单元沿表面或界面具有六边形对称。上层与ZnO形成界面，包含3个Co3 离子或是由1个Co3 和两个Co2 离子所构成。通过引入一个4个氧原子的单层与尖晶石的Co-O键匹配，形成了Co3 与ZnO的界面。这四个氧原子也可以看成是属于Zn-O-Zn-O序列中ZnO的氧原子，这些氧层的拓扑排序有着和Zn(0001)平面x相同的对称性。因此，要与Co3O4形成外延界面并使这些氧键饱和，需要四个六边形ZnO的基本单元单元。氧原子在立方尖晶石Co3O4和纤锌矿ZnO之间起着桥梁的作用。
由于Co3O4(111)和ZnO(0001)存在相当大的晶格失配，所以特别注意对研究系统界面的横向单元格尺寸的选择。模拟氧化锌(0001)/ Co3O4(111)接口存在三种可能性:(i)选择尖晶石体积常数来确定界面晶胞的初始大小, (ii)使用ZnO的体积参数定义界面晶胞单元,(iii)优化界面找到单位晶格的晶格参数的大小最小化总能量的界面（晶胞初始大小，晶胞单元，最小化总能量）。根据该实验的结果，他们并没有对界面晶格参数进行优化，因为这样的优化会导致ZnO和Co3O4材料同时受到压力。并且，对于这种情况下，虽然失配会使平坦的Co3O4/ZnO界面的外延生长受到挑战，但是实验显微镜图像证明了在Co3O4的杂化物和ZoO的主体材料的界面之间是光滑的界面，并且没有层间距的改变或者错位的发生。因为Co3O4被认为磁性的来源，首先我们选择尖晶石体积常数作为主要结构参数，对尖晶石界面附近的晶格位置进行弛豫。考虑到大部分的尖晶石实验的晶格常数值为aspinel=8.084，并且它的（111）表面的初始晶胞的晶格常数Cspinel=5.72A.相应的ZnO的初始晶胞的值为3.25A,为了将4个ZnO的初始晶胞适配到尖晶石单个的二维初始晶胞上，ZnO在基本平面上应压缩12%。因此压缩ZnO的晶格常数在表面的范围是2.86A.在[10]中所建议的，ZnO的纳米棒在Co3O4的纳米平面，通过在界面上沿基面形成错位来释放如此大的压力。
在Co3O4夹杂物,然而,他们有低直径,将曲率允许轻松地容纳通过横向应变松弛,因此使异质外延生长可能甚至在高的情况下晶格失配[11]。此外,在目前的计算这样的压力效应部分考虑的系统放松单元内的细胞。
