Ti-Si-N納米復合薄膜中界面結構性能及形成的第一性原理研究.pdf

1、本文介紹采用第一性原理方法對Ti-Si-N納米復合薄膜中界面結構形式、性能及形成的研究。為探究Ti-Si-N納米復合薄膜中界面相的微觀結構、性能及形成機理，采用基于密度泛函理論的第一性原理方法計算了三部分內容。首先計算了單粒子：硼（B）、碳（C）、鍺（Ge）、硅（Si）在過渡金屬氮化物中固溶結構形式，并考查了單粒子固溶結構形式的力學性能。隨后計算了硅（Si）粒子在 TiN晶體中固溶所形成的界面結構形式，并對兩種界面的力學性能進行計算。最

2、后采用Nudged Elastic Band算法對Ti-Si-N島在TiN（001）表面構型的演變過程和單粒子在TiN（111）表面遷移行為進行了計算，分析了Ti-Si-N納米復合薄膜中界面形成機理。
　　通過上述研究得到以下主要成果。
　?。?）Si粒子在TiN、ZrN、HfN和TaN晶體中固溶以及Ge粒子在TiN晶體中固溶情況為，單粒子不會進入晶粒，形成過渡金屬氮化物固溶體。隨著晶粒間距離變化單粒子可以在晶粒間形成間隙固

3、溶或置換固溶；Si粒子在NbN和B粒子在TiN晶體中可以形成間隙固溶；Si粒子在VN和C粒子在TiN晶體中均為置換固溶。單粒子固溶在過渡金屬氮化物中形成低能量的置換型和間隙型固溶體的彈性常數(shù)、體模量和剪切模量均低于對應過渡金屬氮化物的力學性能。
　?。?）在TiN晶粒中Si粒子是無法形成間隙型界面；在TiN晶粒中如果Ti粒子缺陷形成空位時，Si粒子可能占據(jù)Ti粒子形成置換型界面。比較兩類界面構型的結合能，構型為1Si-4N4Ti間

4、隙型界面單位體積的結合能（703.355eV/nm3）大于構型為1Si-6N置換型界面的單位體積結合能（690.456eV/nm3）。對于界面的力學性能：置換型界面的體積模量 B為260.487GPa，剪切模量 G為193.682GPa；間隙型界面的體積模量B為207.014GPa，剪切模量G為68.757GPa；較TiN晶粒均有所下降，但是兩類界面同時具有力學穩(wěn)定性。
　?。?）在TiN（001）表面上最穩(wěn)定的島構形是Si-by

5、-2Ti2N。在Ti-Si-N沿（001）表面生長時，Si粒子趨于與TiN相分離。Ti-Si-N表面生長時Si原子趨向于與N原子結合，向更加穩(wěn)定的Si-by-2Ti2N結構演變的激活能為1.936eV。Si粒子較容易占據(jù)Ti粒子空缺位，而占據(jù)N粒子的空位較難，即容易形成Si占據(jù)Ti位置換型界面。單粒子在TiN（111）表面吸附與遷移，Si粒子最穩(wěn)定位置為N表面的fcc-HL位即Si占據(jù)Ti位形成構型為Si-6N的置換型界面。