發(fā)布時(shí)間：2017-12-26 19:03

  本文關(guān)鍵詞：納米氮化硅摻雜體系的第一性原理及分子動(dòng)力學(xué)的模擬研究　出處：《蘭州理工大學(xué)》2016年碩士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：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(mǎn)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(wèn)題的有效途徑之一。納米氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)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(xiàn)、棒、帶的合成,對(duì)其電學(xué)和力學(xué)性能缺乏描述,也很難對(duì)其進(jìn)行性能考察與評(píng)估。因此,本文利用第一性原理模擬對(duì)銦摻雜氮化硅體系進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的研究,采用分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算氮化硅納米線(xiàn)的拉伸力學(xué)行為進(jìn)行考察,為納米氮化硅的設(shè)計(jì)和控制提供一些有用的參考依據(jù)。(1)利用空間群、晶格參數(shù)等建立了氮化硅單胞模型,首先對(duì)其進(jìn)行能量最小化弛豫,得到穩(wěn)定的構(gòu)型,并與文獻(xiàn)相比較;然后建立超晶胞模型,利用一個(gè)銦原子取代一個(gè)硅原子實(shí)現(xiàn)摻雜;最后進(jìn)行優(yōu)化計(jì)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(shuō)明摻雜元素對(duì)禁帶寬度的影響較大;對(duì)于In摻雜體系,一共有81條能帶,密度大大增加,下價(jià)帶28條位于-18~-12電子伏之間,上價(jià)帶位于-10~0電子伏之間,導(dǎo)帶位于3~8電子伏之間;下價(jià)帶主要來(lái)自于In的5s軌道電子和N的2s軌道電子的貢獻(xiàn),頂價(jià)帶主要來(lái)源于N的2p和Si的2p軌道電子的貢獻(xiàn),導(dǎo)帶主要來(lái)于Si的2p軌道和In的5s軌道電子的貢獻(xiàn)。(3)計(jì)算的差分電荷密度說(shuō)明銦摻雜后藍(lán)色區(qū)域面積降低,也就是說(shuō)電子缺失減小了,表明In與N成鍵的共價(jià)性有所降低;計(jì)算的布居值從0.65降低到0.35,說(shuō)明共價(jià)性降低了,這與差分電荷密度的結(jié)果相一致。計(jì)算的介電常數(shù)虛部在低能區(qū)有所升高,說(shuō)明介電損耗增大,在低能區(qū)壽命降低。(4)在紫外光范圍(80-400nm)內(nèi),摻雜前后體系對(duì)光的吸收都很強(qiáng),且反射程度高,展示出“阻礙類(lèi)型”的特點(diǎn);在可見(jiàn)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(shuō)明具有“穿透類(lèi)型”的特點(diǎn),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(shuō)明一部分光被反射了。(5)對(duì)長(zhǎng)徑比分別為4:1、6:1和8:1的氮化硅納米線(xiàn)進(jìn)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(zhǔn)線(xiàn)性-非線(xiàn)性關(guān)系,彈性極限都約為0.02處;長(zhǎng)徑比增加,斷裂強(qiáng)度降低,峰值應(yīng)力分別為32.61GPa、31.8GPa和31GPa,長(zhǎng)徑比的改變顯著影響了納米線(xiàn)的斷裂行為。(6)利用可視化軟件對(duì)不同長(zhǎng)徑比納米線(xiàn)的加載過(guò)程截取了不同應(yīng)變點(diǎn)的快照,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)徑比4:1和8:1的納米線(xiàn)發(fā)生斷裂的位置位于中心,而長(zhǎng)徑比為6:1的納米線(xiàn)發(fā)生斷裂的位置偏向右端。(7)在加載過(guò)程的初期,納米線(xiàn)內(nèi)部出現(xiàn)部分Si-Si鍵缺陷和個(gè)別氮原子缺陷;當(dāng)引發(fā)斷裂時(shí),在應(yīng)變約0.048時(shí),Si-Si鍵缺陷和氮原子缺陷的數(shù)量大大增加了,而且出現(xiàn)了新的配位數(shù)為0、1和2的氮原子缺陷和配位數(shù)為5、6和7的硅原子缺陷,大大加劇了應(yīng)力集中。
[Abstract]:With the rapid development of the microelectronics industry, the characteristic size of the basic devices is shrinking. The traditional brittle ceramics can not meet the requirements of their applications, and become the bottleneck restricting the development of the technology. Searching for high-performance ceramics is one of the effective ways to solve this problem. Nano silicon nitride ceramics have excellent electrical and optical properties of mechanics, is widely used in large scale integrated circuit and basic devices, but most of the research focused on the synthesis of nanowires, with the rod, and the lack of description of the electrical and mechanical properties, it is very difficult to carry out the inspection and evaluation of its performance. Therefore, this paper using the first principle simulation of electronic structure and optical properties of indium doped silicon nitride system, were investigated by molecular dynamics simulation calculation of tensile behavior of silicon nitride nanowires, provide some useful reference for the design and control of nano silicon nitride. (1) the use of space groups, such as the establishment of lattice parameters of silicon nitride single cell model, the first of its energy minimization relaxation, stable configuration, and compared with the literature; then establish the supercell model, instead of a silicon atom doping using an indium atom; most were obtained after the optimization calculation. The best balance configuration. (2) before and after indium doped system band gap were 4.5 and 2.1, illustrate the influence of doping elements on band gap is relatively large; for the In doped system, a total of 81 bands, the density increases greatly, between the 28 valence band at -18~-12 electron volts, located between -10~0 on valence electron volts, the conduction band located between 3~8 V; 5S electrons and N valence band mainly from the In 2S orbital contribution, the top valence band mainly derived from N 2p and Si 2p orbital contribution, 5S orbital electron conduction band mainly come from Si 2p orbital and In contribution. (3) to calculate the charge density difference shows blue area decreased after indium doping is, electron deficiency reduced, showed that In bond covalency decreased with N; calculating the population decreased from 0.65 to 0.35, indicating covalency is reduced, which is consistent with the charge density difference results. The imaginary part of the calculated dielectric constant increases in the low energy region, indicating that the dielectric loss increases and the lifetime of the low energy region is reduced. (4) in the UV range (80-400nm), absorption of light before and after doping is very strong, and the reflection degree is high, showing the characteristics of "block type"; in the visible light region (400-800nm), before and after doping system has low absorption and reflection spectrum, that has the characteristic of "penetrating type" the light also said more easily spread. In addition, the reflection spectrum of the indium doped system increases in the low energy region, indicating that a part of the light is reflected. (5) the ratio of length to diameter were 4:1, 6:1 And 8:1 silicon nitride nanowires under tensile loading simulation, with the increase of the strain, the stress increased first and then slowly, the stress and strain in quasi linear nonlinear relationship, the elastic limit is about 0.02; the ratio of length to diameter increase, breaking strength decreased the peak stress, respectively 32.61GPa, 31.8GPa and 31GPa, the ratio of length to diameter change has significant influence on the fracture behavior of nano wire. (6) using visualization software to pick up snapshots of different strain points during loading process of nanowires with different aspect ratios, it is found that the fracture location of nanowires located at the center of length and diameter ratio 4:1 and 8:1 is located at the center, while the location of nanowires with the aspect ratio 6:1 is the right side. (7) early in the loading process, the nanowires appear atomic defects Si-Si bond defects and individual nitrogen; when initiating fracture, the strain of about 0.048, the number of Si-Si bond defects and nitrogen atom defects has increased greatly, and appears new defects in silicon atom coordination number is 0, 1 and 2 the nitrogen atom defects and coordination number of 5, 6 and 7, greatly increasing the stress concentration.
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TQ174.1

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本文編號(hào)：1338452