納米氮化硅的光學(xué)性能及其線、薄膜力學(xué)行為的模擬研究.pdf

1、作為一種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和功能陶瓷，Si3N4已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域展示出了廣泛的應(yīng)用，特別是隨著材料向小尺度化的發(fā)展，納米Si3N4陶瓷以其獨(dú)特的力、電和光學(xué)性能將會(huì)在納米器件上展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力，但目前由于各種原因，還很難通過實(shí)驗(yàn)對(duì)這類材料性能進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)，基于此，本文利用第一性原理對(duì)摻雜和吸附的Si3N4模型進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能模擬研究，利用分子動(dòng)力學(xué)對(duì)Si3N4納米線和薄膜進(jìn)行力學(xué)行為模擬研究，為其進(jìn)一步的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
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2、1）利用第一性原理模擬了Al、Ga、As和P摻雜Si3N4體系的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，結(jié)果表明：Al和Ga摻雜后體系帶隙分別為4.21和4.12eV，而As和P摻雜之后帶隙減小，甚至消失，說明后兩種元素?fù)诫s對(duì)體系的帶隙影響較大；摻雜后四種體系的形成能按照Al、Ga、P和As的順序逐漸增加，說明Al摻雜體系比其他體系的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定；差分電荷密度圖表明，P摻雜后周圍的電子缺失增加，說明P與N成鍵的共價(jià)性有所提高，而As、Ga和Al摻雜后周圍的電

3、子缺失降低，表明其與N成鍵的共價(jià)性有所降低，并且Al摻雜時(shí)，原子附近的電子缺失幾乎消失，電子云逐漸向N原子附近靠近，說明共價(jià)性向離子性轉(zhuǎn)化的程度最高，摻雜元素與N原子成鍵的共價(jià)性強(qiáng)弱順序?yàn)椋篜>As>Ga>Al，與計(jì)算的布居值相一致；摻雜體系靜態(tài)介電常數(shù)隨共價(jià)半徑的增加先降低，后升高，其中As摻雜體系最低，且在低能區(qū)的介電損耗較小，有利于在光電材料上的應(yīng)用。
　?。?）利用第一性原理模擬了稀土元素（Yb、Gd、Sc、Sm、La和

4、Lu）吸附氮化硅體系的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能，稀土元素吸附成鍵后周圍的電子缺失變?nèi)?，與N成鍵的離子性的增強(qiáng)，其中Yb，Gd和Sc原子附近還出現(xiàn)了不同程度的電子富集，說明電子云分布的不均勻性增加，與N成鍵共價(jià)性強(qiáng)弱順序?yàn)閅b>Gd>Sc>Sm>（La，Lu），和計(jì)算的布居值相一致；靜態(tài)介電常數(shù)和介電損耗都隨共價(jià)半徑的增加先增大，后降低，最后趨于平緩，其中Sc吸附體系最低；[010]極化方向?qū)偨殡姾瘮?shù)的貢獻(xiàn)大于其他兩個(gè)方向，說明吸附后體系都顯

5、示了一定的各向異性；780~2500nm（0.496~1.59eV）近紅外光區(qū)，La，Yb，Gd和Sc吸附體系的反射率較低，都小于6％，而Lu和Sm吸附體系可達(dá)20%，反射程度相對(duì)較高，對(duì)應(yīng)折射率較低，說明光在前四種吸附體系中更容易傳播；390~780nm（1.59~3.18eV）可見光區(qū)，六種吸附體系都具有較低的吸收系數(shù)和反射率，說明吸附體系具有“透明型”性質(zhì)；80~390nm（3.18~15.5eV）紫外光區(qū)，吸附體系對(duì)光的吸收較強(qiáng)

6、，呈現(xiàn)出“阻隔型”性質(zhì)。
　　（3）將第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，建立了[001]方向氮化硅納米線模型，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬了氮化硅納米線的壓縮和拉伸力學(xué)行為，結(jié)果表明：在拉伸應(yīng)力下，材料彈性極限獨(dú)立于納米線長(zhǎng)徑比，并大都發(fā)生在應(yīng)變?yōu)?.05處，納米線的斷裂應(yīng)力隨長(zhǎng)徑比的升高而減少，同時(shí)在變形中產(chǎn)生大量的硅-硅鍵和團(tuán)簇狀氮原子缺陷；在壓縮應(yīng)力下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，在納米線下表面的中心部位和上表面的兩個(gè)對(duì)稱位置產(chǎn)生了新的四重硅原子

7、缺陷，使應(yīng)力開始下降。
　?。?）利用分子動(dòng)力學(xué)模擬了氮化硅納米線在彎曲應(yīng)力作用下的力學(xué)行為，結(jié)果表明：應(yīng)力位移曲線由準(zhǔn)彈性階段和非線性階段組成，隨著長(zhǎng)徑比的增加（3:1、5:1和7:1），材料斷裂應(yīng)力下降；在壓頭接觸納米線之后，彎曲應(yīng)力隨壓頭位移的增加而增大，當(dāng)初始斷裂出現(xiàn)時(shí)，彎曲應(yīng)力急速下降；彎曲應(yīng)力下，在上表面中心位置，可以觀察到硅-硅鍵和配位數(shù)為2的氮原子缺陷，隨壓頭位移的增加，氮的配位數(shù)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?和1，硅的配位數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

8、6和7。
　　（5）建立了基面氮化硅納米薄膜，原子的數(shù)量分別為5600、7406和9464個(gè)，利用最快下降法進(jìn)行弛豫，得到了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。利用分子動(dòng)力學(xué)模擬了薄膜的拉伸行為，結(jié)果表明：在拉伸加載過程中，當(dāng)應(yīng)變小于0.06時(shí)，薄膜展示了非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；在0.06-0.09應(yīng)變范圍內(nèi)，薄膜展示了線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；超過0.09時(shí)，又變成非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，直到最后的斷裂。斷裂應(yīng)力、應(yīng)變隨薄膜邊長(zhǎng)的增加而增加，楊氏模量變化不大，y方向的斷