β-Si 3 N 4 （0001）表面本征點缺陷及其異質結的模擬研究
發(fā)布時間：2021-08-10 10:10
Si3N4作為結構和功能陶瓷材料在工程實踐應用中備受歡迎,因其穩(wěn)定性好、強度高、熱導率高等特性,有望成為下一代功率器件的襯底材料。在服役于各種環(huán)境時,本征點缺陷已成為光電器件性能的重要影響因素之一,同時對Si3N4基的異質相界面的微觀結構與性質進行探索研究也變得尤為重要。基于此,本論文利用第一性原理計算的方法,從原子尺度研究了不同Si-N原子層中空位(VNt1、VNt2和VSi)和填隙(IN和ISi)缺陷對H鈍化β-Si3N4（0001）表面結構的電子特性和光學性質的影響,構建石墨烯/β-Si3N4（0001）異質結并計算電子特性和光學性質,為其進一步的實際應用提供理論和指導。（1）二維β-Si3N4不同層的單原子空位缺陷體系,結構優(yōu)化后發(fā)現隨著空位越接近內層,...
【文章來源】：蘭州理工大學甘肅省
【文章頁數】：78 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
Si3N4三種相的晶體結構[4]
碩士學位論文3降低帶隙使其發(fā)揮更好的利用價值成為研究的趨勢，相繼發(fā)現通過的摻雜、吸附等方式確實起到了較為明顯的效果[17-20]。伴隨著Si3N4薄膜的問世，在20世紀60年代在硅基集成電路板的鈍化領域上進行了應用，引起了人們廣泛的關注。太陽能電池作為一種清潔能源的利用方式，逐漸改變著人們的生活。威爾士大學研發(fā)的光電轉化可達17%的太陽能電池已然成為硅基太陽能電池的一個里程碑[21]，為提升電池轉化效率，Si3N4薄膜作為減反射膜和鈍化膜被加以運用[22-24]，使光電轉化效率明顯提升，優(yōu)于SiO2薄膜[25]。加之光電器件也逐漸走向微型化的方向，因而納米Si3N4材料的研究也成為焦點，此外，Si3N4陶瓷基板是半導體功率模塊的部件，也是電力電子領域中最重要的功率器件之一，在電動汽車、軌道交通上起著關鍵作用。圖1.2Si3N4在多領域的部分應用1.2Si3N4中點缺陷的研究現狀同理想晶體相比較而言，實際晶體材料中出現的缺陷是不可避免的。在理論上，缺陷定義為偏離理想晶體周期性或平移對稱性的結構形式，尤其是對于晶體中相對獨立出現的點缺陷，最基本的以點陣空位、置換原子和填隙原子形式存在，其形成機理和對材料性能的影響都是非常重要的。在實驗工作中對于濃度很低的點缺陷是很難識別的，然而存在低濃度缺陷的實驗樣品會直接影響實驗結果的分析，隨著計算機性能的不斷增強，合理運用理論計算可彌補實驗的短板。在大多數晶體材料中，與原子擴散有關的現象都與存在的點缺陷有關，嚴重影響了電導率和許多其它性能。有關本征缺陷的信息對于理解和設計包含雜質、表面和界面至關重要，因為這些復雜缺陷和本征缺陷之間的相互作用決定了材料的整體性能。
β-Si3N4（0001）表面本征點缺陷及其異質結的模擬研究10近似歸納處理如圖2.1所示。圖2.1固體能帶理論的近似過程2.2.1Hohenberg-Kohn定理根據量子力學基本原理，設定已知體系的哈密頓算符H，其定態(tài)薛定諤方程可表示為HΨ=EΨ。如果令體系的基態(tài)波函數為Ψ0，則對應體系的基態(tài)能量可表示為E0，對于多粒子體系的波函數Ψ與體系內N個粒子的坐標是息息相關的，加之體系內單個粒子有3個自由度，隨著體系N的變大，計算量就會變得異常繁重，為了解決這一困難，HohenbergP和KohnW于1964年提出了密度泛函理論[84]。該理論的核心是將電子密度ρ(r)作為試探函數，其總能E為電子密度的泛函E[ρ]。因此，基于非均勻電子氣理論，提出如下定理：定理一：不計自旋的全同費米子系統(tǒng)的基態(tài)能量是粒子數密度函數ρ(r)唯一泛函。定理二：能量泛函E[ρ]在粒子數不變的條件下，對正確的粒子數密度函數ρ(r)取最小值，且等于基態(tài)能量。定理一保證了粒子數密度ρ(r)作為體系基本物理量的合法性，同時，也是密度泛函理論名稱由來的依據。該定理表明多粒子體系的基態(tài)粒子數密度ρ(r)與其所處的外勢場之間是一一對應的關系。確定了體系的粒子數和哈密頓算符，進而確定了體系的所有性質。定理二是密度泛函框架下的變分原理，為處理實際問題提供了捷徑。這里所處里的基態(tài)是非簡并的，將多電子體系的哈密頓量可以表示為：H=T+U+V（2.1）其中T表示電子的動能，U表示多電子系統(tǒng)相互作用勢，V表示多電子系統(tǒng)之外的外勢。對于基態(tài)波函數的積分如下表示：
【參考文獻】：
期刊論文
[1]氮化硅陶瓷粉體的制備研究進展[J]. 徐晨輝,張寧,趙介南,周彬彬,闞洪敏,王曉陽. 粉末冶金工業(yè). 2019(04)
[2]氮化硅減反射膜制備工藝對組織結構及折射率影響的研究[J]. 高越,王宙,付傳起,楊梓健,項永礦. 真空科學與技術學報. 2019(06)
[3]石墨烯硅基異質結太陽能電池中Gr/Si3N4/Si光學微腔的優(yōu)化設計[J]. 李萌,況亞偉. 淮北師范大學學報(自然科學版). 2018(04)
[4]氮化硅軸承套圈溝道的超精研工藝實驗研究[J]. 李頌華,秘文博,吳玉厚,孫健. 機械與電子. 2017(02)
[5]高純氮化硅粉合成研究進展[J]. 鄭彧,張偉儒,彭珍珍,王騰飛,李鑌,鄒景良,張哲. 硅酸鹽通報. 2015(S1)
[6]涂層Si3N4陶瓷刀具切削性能研究[J]. 汪家華,伍尚華. 機電工程技術. 2014(08)
[7]A first-principle investigation of the oxygen defects in Si3N4-based charge trapping memories[J]. 羅京,盧金龍,趙宏鵬,代月花,劉琦,楊金,蔣先偉,許會芳. Journal of Semiconductors. 2014(01)
[8]Study of H2O and HOCH2CH2OH Adsorption on the Relaxation Surface of β-Si3N4（0001） by Density Functional Theory[J]. 彭新宇,王學業(yè),王玲,譚援強. 結構化學. 2008(12)
[9]DFT方法研究摻雜氮化硅對SONOS器件保持性能的作用[J]. 房少華,程秀蘭,黃曄,顧懷懷. 物理學報. 2007(11)
[10]氮化硅晶須結構的性能研究及其應用現狀[J]. 李甫. 佛山陶瓷. 2007(09)
博士論文
[1]納米氮化硅的光學性能及其線、薄膜力學行為的模擬研究[D]. 盧學峰.西安交通大學 2017
碩士論文
[1]氮化硅和碳化硅及其復合雙層減反射膜研究[D]. 陳暉.上海工程技術大學 2012
本文編號：3333868
【文章來源】：蘭州理工大學甘肅省
【文章頁數】：78 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
Si3N4三種相的晶體結構[4]
碩士學位論文3降低帶隙使其發(fā)揮更好的利用價值成為研究的趨勢，相繼發(fā)現通過的摻雜、吸附等方式確實起到了較為明顯的效果[17-20]。伴隨著Si3N4薄膜的問世，在20世紀60年代在硅基集成電路板的鈍化領域上進行了應用，引起了人們廣泛的關注。太陽能電池作為一種清潔能源的利用方式，逐漸改變著人們的生活。威爾士大學研發(fā)的光電轉化可達17%的太陽能電池已然成為硅基太陽能電池的一個里程碑[21]，為提升電池轉化效率，Si3N4薄膜作為減反射膜和鈍化膜被加以運用[22-24]，使光電轉化效率明顯提升，優(yōu)于SiO2薄膜[25]。加之光電器件也逐漸走向微型化的方向，因而納米Si3N4材料的研究也成為焦點，此外，Si3N4陶瓷基板是半導體功率模塊的部件，也是電力電子領域中最重要的功率器件之一，在電動汽車、軌道交通上起著關鍵作用。圖1.2Si3N4在多領域的部分應用1.2Si3N4中點缺陷的研究現狀同理想晶體相比較而言，實際晶體材料中出現的缺陷是不可避免的。在理論上，缺陷定義為偏離理想晶體周期性或平移對稱性的結構形式，尤其是對于晶體中相對獨立出現的點缺陷，最基本的以點陣空位、置換原子和填隙原子形式存在，其形成機理和對材料性能的影響都是非常重要的。在實驗工作中對于濃度很低的點缺陷是很難識別的，然而存在低濃度缺陷的實驗樣品會直接影響實驗結果的分析，隨著計算機性能的不斷增強，合理運用理論計算可彌補實驗的短板。在大多數晶體材料中，與原子擴散有關的現象都與存在的點缺陷有關，嚴重影響了電導率和許多其它性能。有關本征缺陷的信息對于理解和設計包含雜質、表面和界面至關重要，因為這些復雜缺陷和本征缺陷之間的相互作用決定了材料的整體性能。
β-Si3N4（0001）表面本征點缺陷及其異質結的模擬研究10近似歸納處理如圖2.1所示。圖2.1固體能帶理論的近似過程2.2.1Hohenberg-Kohn定理根據量子力學基本原理，設定已知體系的哈密頓算符H，其定態(tài)薛定諤方程可表示為HΨ=EΨ。如果令體系的基態(tài)波函數為Ψ0，則對應體系的基態(tài)能量可表示為E0，對于多粒子體系的波函數Ψ與體系內N個粒子的坐標是息息相關的，加之體系內單個粒子有3個自由度，隨著體系N的變大，計算量就會變得異常繁重，為了解決這一困難，HohenbergP和KohnW于1964年提出了密度泛函理論[84]。該理論的核心是將電子密度ρ(r)作為試探函數，其總能E為電子密度的泛函E[ρ]。因此，基于非均勻電子氣理論，提出如下定理：定理一：不計自旋的全同費米子系統(tǒng)的基態(tài)能量是粒子數密度函數ρ(r)唯一泛函。定理二：能量泛函E[ρ]在粒子數不變的條件下，對正確的粒子數密度函數ρ(r)取最小值，且等于基態(tài)能量。定理一保證了粒子數密度ρ(r)作為體系基本物理量的合法性，同時，也是密度泛函理論名稱由來的依據。該定理表明多粒子體系的基態(tài)粒子數密度ρ(r)與其所處的外勢場之間是一一對應的關系。確定了體系的粒子數和哈密頓算符，進而確定了體系的所有性質。定理二是密度泛函框架下的變分原理，為處理實際問題提供了捷徑。這里所處里的基態(tài)是非簡并的，將多電子體系的哈密頓量可以表示為：H=T+U+V（2.1）其中T表示電子的動能，U表示多電子系統(tǒng)相互作用勢，V表示多電子系統(tǒng)之外的外勢。對于基態(tài)波函數的積分如下表示：
【參考文獻】：
期刊論文
[1]氮化硅陶瓷粉體的制備研究進展[J]. 徐晨輝,張寧,趙介南,周彬彬,闞洪敏,王曉陽. 粉末冶金工業(yè). 2019(04)
[2]氮化硅減反射膜制備工藝對組織結構及折射率影響的研究[J]. 高越,王宙,付傳起,楊梓健,項永礦. 真空科學與技術學報. 2019(06)
[3]石墨烯硅基異質結太陽能電池中Gr/Si3N4/Si光學微腔的優(yōu)化設計[J]. 李萌,況亞偉. 淮北師范大學學報(自然科學版). 2018(04)
[4]氮化硅軸承套圈溝道的超精研工藝實驗研究[J]. 李頌華,秘文博,吳玉厚,孫健. 機械與電子. 2017(02)
[5]高純氮化硅粉合成研究進展[J]. 鄭彧,張偉儒,彭珍珍,王騰飛,李鑌,鄒景良,張哲. 硅酸鹽通報. 2015(S1)
[6]涂層Si3N4陶瓷刀具切削性能研究[J]. 汪家華,伍尚華. 機電工程技術. 2014(08)
[7]A first-principle investigation of the oxygen defects in Si3N4-based charge trapping memories[J]. 羅京,盧金龍,趙宏鵬,代月花,劉琦,楊金,蔣先偉,許會芳. Journal of Semiconductors. 2014(01)
[8]Study of H2O and HOCH2CH2OH Adsorption on the Relaxation Surface of β-Si3N4（0001） by Density Functional Theory[J]. 彭新宇,王學業(yè),王玲,譚援強. 結構化學. 2008(12)
[9]DFT方法研究摻雜氮化硅對SONOS器件保持性能的作用[J]. 房少華,程秀蘭,黃曄,顧懷懷. 物理學報. 2007(11)
[10]氮化硅晶須結構的性能研究及其應用現狀[J]. 李甫. 佛山陶瓷. 2007(09)
博士論文
[1]納米氮化硅的光學性能及其線、薄膜力學行為的模擬研究[D]. 盧學峰.西安交通大學 2017
碩士論文
[1]氮化硅和碳化硅及其復合雙層減反射膜研究[D]. 陳暉.上海工程技術大學 2012
本文編號：3333868
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