硼纳米管的端口效应和Cu/TaN界面的结构模拟

摘要

随着计算机的迅速发展和计算材料学的进展,材料的计算机模拟与设计已经广泛地应用子材料科学的研究之中。本文基于第一性原理计算,研究了如下两部分内容:硼纳米管的端口效应和Cu/TaN界面的结构模拟。
　　1.硼纳米管的端口效应
　　硼的晶体具有密度低、熔点高、超强硬度、高化学稳定性等特点。近年来,关于硼纳米管和一维纳米结构高电导率的理论预测,激发了人们的兴趣。迄今为止,关于硼纳米管、纳米线、纳米带和纳米锥等一维纳米结构的研究取得了长足的进展。人们预期,硼的一维纳米结构将成为下一代纳米器件(如高温半导体器件、场效应管、场发射以及超导纳米器件等)的核心组件。
　　论文以课题组提出的一类新颖的硼二维结构为基础,构造了一系列的“戴帽”硼纳米管Bn(n=60、80、100、120、140、160、180)和无限长的、以B280为重复单元的硼纳米管。端口“帽子”是“橄榄球状”B60富勒烯的一半。本文计算了硼纳米管的优化结构的单点能、电子态密度、HOMO-LUMO能隙值和平均键长等性质,对它们的结构、稳定性和电学性质等方面进行了分析。
　　对于这类“戴帽”的新型硼纳米管的主要计算结果如下:1)平均每原子的结合能随着长度的增加单调递减:2)随着长度的增加,量子尺寸效应的影响逐渐减弱,它们的HOMO-LUMOGap呈现交替减小的趋势,Gap值分布在0.00～0.37eV之间,无限长的硼纳米管呈现金属特性;3)这类硼纳米管存在着明显的S轨道和P轨道杂化特征。
　　2.Cu/TaN界面的结构模拟
　　本文用原子级模拟的方法,基于第一性原理和陈氏反演,对Cu、TaN体材料和Cu/TaN界面进行了模拟和探索。我们构建了Cu在Ta原子上方的界面和Cu在N原子上面的界面,通过第一性原理计算其结合能曲线,通过课题组提出的原子间相互作用势的反演方法,得到的原子间相互作用势,并对界面的结构性质和位错等进行了详细探索。
　　主要结果如下:
　　1)对于Cu、TaN体材料,通过反演得到的原子间相互作用势具有一定的自洽性和有效性,利用得到的势参数能够很好的重现第一性原理计算的结合能曲线,利用TaN的纯元素对势和异种元素原子间相互作用势得到TaxNy的晶格常数跟实验值相比相对误差较小。
　　2)对于C删界面,本文计算了晶胞宽度Lcell=4、6、8、10、12、14时位错发生在不同金属层上的情况。当晶胞的宽度Lcell相同时,随着位错位置的升高,位错结构的界面出现了不连续区域,并且不连续区域逐渐扩大。在P=1时,界面上出现了空位,并随着P继续增大,空位向两边扩大并散开。当P=5时,空位消失,整个Cu晶胞开始向上扭曲,直到最后一个Cu原子挤出Cu所在的平面。Lcell不同时,结构变化情况大致相同。
　　3)比较两种界面结构,N终结面的失配位错的能量比Ta终结面的失配位错的能量稍低。综合来看,N终结面的Lcell=8,P=0的位错结构是最稳定的。通过计算Cu/TaN界面的位错密度,发现当金属层达到一定厚度时,有比较稳定的位错结构。