納米氮化硅摻雜體系的第一性原理及分子動力學的模擬研究.pdf

1、隨著微電子行業(yè)的飛速發(fā)展，基礎(chǔ)器件的特征尺寸又在不斷縮小，而傳統(tǒng)的脆性陶瓷不能滿足其使用要求，成為制約該技術(shù)發(fā)展的瓶頸，尋求高性能陶瓷是解決此問題的有效途徑之一。納米氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的力學、電學和光學性能，正廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路及基礎(chǔ)器件中，但是，目前大多數(shù)的研究主要集中在納米線、棒、帶的合成，對其電學和力學性能缺乏描述，也很難對其進行性能考察與評估。因此，本文利用第一性原理模擬對銦摻雜氮化硅體系進行電子結(jié)構(gòu)和光學性能的研究，采用

2、分子動力學模擬計算氮化硅納米線的拉伸力學行為進行考察，為納米氮化硅的設(shè)計和控制提供一些有用的參考依據(jù)。
　?。?）利用空間群、晶格參數(shù)等建立了氮化硅單胞模型，首先對其進行能量最小化弛豫，得到穩(wěn)定的構(gòu)型，并與文獻相比較；然后建立超晶胞模型，利用一個銦原子取代一個硅原子實現(xiàn)摻雜；最后進行優(yōu)化計算，獲得最佳平衡構(gòu)型。
　　（2）銦摻雜體系前后帶隙分別為4.5和2.1，說明摻雜元素對禁帶寬度的影響較大；對于In摻雜體系，一共有81條

3、能帶，密度大大增加，下價帶28條位于-18～-12電子伏之間，上價帶位于-10～0電子伏之間，導(dǎo)帶位于3～8電子伏之間；下價帶主要來自于In的5s軌道電子和N的2s軌道電子的貢獻，頂價帶主要來源于N的2p和Si的2p軌道電子的貢獻，導(dǎo)帶主要來于Si的2p軌道和In的5s軌道電子的貢獻。
　　（3）計算的差分電荷密度說明銦摻雜后藍色區(qū)域面積降低，也就是說電子缺失減小了，表明In與N成鍵的共價性有所降低；計算的布居值從0.65降低到0

4、.35，說明共價性降低了，這與差分電荷密度的結(jié)果相一致。計算的介電常數(shù)虛部在低能區(qū)有所升高，說明介電損耗增大，在低能區(qū)壽命降低。
　?。?）在紫外光范圍（80-400nm）內(nèi)，摻雜前后體系對光的吸收都很強，且反射程度高，展示出“阻礙類型”的特點；在可見光區(qū)域（400-800nm）內(nèi)，摻雜前后體系都具有低的吸收和反射譜，說明具有“穿透類型”的特點，也表示光更容易傳播。此外，銦摻雜體系在低能區(qū)反射譜升高，說明一部分光被反射了。

5、　　（5）對長徑比分別為4:1、6:1和8:1的氮化硅納米線進行了拉伸加載模擬，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力先增加后平緩，應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)出準線性-非線性關(guān)系，彈性極限都約為0.02處；長徑比增加，斷裂強度降低，峰值應(yīng)力分別為32.61GPa、31.8GPa和31GPa，長徑比的改變顯著影響了納米線的斷裂行為。
　?。?）利用可視化軟件對不同長徑比納米線的加載過程截取了不同應(yīng)變點的快照，發(fā)現(xiàn)長徑比4:1和8:1的納米線發(fā)生斷裂的位置位于中心，