Nb-Si-N纳米复合薄膜结构性能及形成机理的第一性原理研究

摘要

本论文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法研究了Nb-Si-N纳米复合薄膜,重点对其界面性能(界面力学性能和界面电子结构)和形成机理进行了研究。计算了Nb-Si-N岛在NbN(001)表面的岛构型能量和吸附能,在分析岛构型稳定性以后,进一步计算了不同岛构型之间的迁移演变,分析了Nb-Si-N纳米复合薄膜的形成机理。最后计算Nb、Si、N单粒子在NbN(111)表面的吸附和迁移,通过势能面(PES)的分析找出稳定吸附位置,同时以Si原子在不同终止层的迁移为代表,计算了可能的迁移方式。在本文通过计算和分析可以得出以下结论:
　　(1)Si原子加入NbN中形成界面会增强NbN的力学稳定性,对于两种不同界面类型的Nb-Si-N纳米复合薄膜来说,置换型界面结构的抗剪切形变与抗压缩形变的性能都优于间隙型界面结构,杨氏模量各向异性分析显示,间隙型界面结构和置换型界面结构呈现出各向同性。
　　(2)通过对Nb-Si-N界面电学性能的研究表明,Si的加入增强了NbN的金属性,激发了NbN各个轨道的电子,结合能带图、态密度图和分波态密度图可以看出Si原子的加入加大了NbN的杂化程度,这些都表明Si的加入使NbN拥有了更好的电学性能。
　　(3)Nb-Si-N岛在NbN(001)表面最稳定的岛构型是Si原子在岛外与Nb成对角线的情况,总能量Econfig=-837.34098eV,吸附能Ead=34.06eV。通过对构型Nb-by-2N1Nb1Si向着Si在Nb成对角线构型的迁移演变进行NEB计算,发现整个迁移过程所需要的激活能为Ea(Si-out)=1.58eV,Ea(Nb-into)=0.88eV。从迁移过程中可以发现Nb原子更倾向于稳定在岛内不易迁出,而Si原子在一定条件下可以在岛内岛外跃迁。
　　(4)通过对单粒子在NbN(111)表面吸附的势能面(PES)分析,发现在以Nb原子终止层的NbN(111)表面吸附体系,单粒子可能在BR位、OT位、Hcp-HL位之间跳跃,最终稳定在其中某个位置;在以N原子终止层的NbN(111)表面吸附体系,Nb原子肯定会吸附在BR位,而Si原子可能在BR位和Hcp-HL位之间跳跃,最终稳定在它们中的某一个位置。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 Nb-Si-N超硬薄膜发展

1.3 Nb-Si-N纳米复合薄膜研究现状

1.4 Nb-Si-N纳米复合薄膜的理论计算

2 第一性原理计算方法

2.1 第一性原理

2.2 VASP软件包介绍

2.3 VASP计算介绍

3Nb-Si-N界面性能研究

3.1 Nb-Si-N界面力学性能分析

3.2 Nb-Si-N界面结构电子结构

3.3 本章小结

4Nb-Si-N岛在NbN（001）表面的迁移演变

4.1 晶格常数计算

4.2 模型的构建

4.3 不同位置关系的岛构型计算

4.4 Nb-Si-N岛构型结果分析

4.5 Nb-Si-N岛构型在NbN（001）表面迁移

4.6 本章小结

5 Nb-Si-N在NbN（111）表面形成过程

5.1 单粒子在 NbN（111）表面吸附

5.2 单粒子在 NbN（111）表面迁移

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

在学研究成果

致谢