Nb-Si-N复合表面力学性能及形成的第一性原理研究

摘要

NbN作为一种薄膜材料具有较高的硬度，而且掺杂Si形成Nb-Si-N复合薄膜后，硬度会有较大幅度的提升。这种复合薄膜的形成机理尚不清晰，所以本研究主要考察了Nb-Si-N复合薄膜表面的力学性能与形成机理。
　　本研究中采取基于密度泛函的第一性原理VASP软件包对Nb-Si-N复合薄膜表面的力学性能和形成过程进行计算。再用Mercury、OriginLab等绘图软件对计算数据进行处理，并对其进行分析、归纳，得出结论。
　　本研究中主要进行了四项计算。①计算了Nb、Si、N单原子能量，对这三种元素的晶格常数进行了优化，并计算了三种元素的内聚能，将其与实验值进行对比。从而，验证计算的可靠性。②计算与分析了Nb-Si-N两种界面形式（置换型和间隙型）的力学性能。③计算了Nb、Si、N单原子在NbN(001)表面的表面吸附能，并计算了三种原子在NbN(001)表面的迁移激活能。④对Nb、Si、N单原子的绕岛行为进行了计算与分析。
　　通过计算和分析得出了结论：①比较Nb-Si-N的两种界面形式，置换型结构要比间隙型结构拥有更好的力学性能。实验中Nb-Si-N拥有比NbN更高的硬度、更好的力学性能，造成这种现象的结构更有可能为置换型界面结构。②Nb原子在NbN(001)表面迁移，越过鞍点向Hollow位移动的迁移激活能0.325eV，而反向迁移到TopN的迁移激活能为0.716eV。Nb原子绕岛自由旋转的迁移激活能为2.6189eV，所以 Nb表面迁移比绕岛迁移更容易。③N在NbN(001)表面迁移越过鞍点需要的迁移激活能为1.315eV；在绕岛迁移过程中施加超过8eV的能量时，N原子会脱离表面。④Si的表面迁移激活能为0.479eV，绕岛迁移激活能为1.3493eV，因此其迁移激活能较低，可以促进其他粒子的迁移，形成更加致密的薄膜结构。

目录

封面

声明

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 Ti-Si-N超硬薄膜发展

1.3 Nb-Si-N超硬薄膜发展

2第一性原理计算方法

2.1 第一性原理

2.2 VASP软件包

3 Nb-Si-N复合表面力学性能

3.1 力学常数计算原理

3.2 晶格常数计算

3.3 力学常数计算模型

3.4 计算结果与小结

4 Nb-Si-N复合表面形成过程

4.1 单粒子NbN(001)表面迁移

4.2 单粒子绕岛迁移

5 总结与展望

参考文献

附录：力学常数计算的流程框图

索 引

在学研究成果

致谢