β-Si3N4电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函的平面波赝势方法(PWP)和广义梯度近似(GGA)，计算了β相氮化硅(β-Si₃N₄)的电子结构和光学性质，得到的晶格常数、能带结构等均与实验结果较好符合.进一步还研究了β-Si₃N₄的光吸收系数以及禁带宽度随外压力的变化规律，为β-Si₃N₄材料在高压条件下的应用提供了理论参考. 关键词： β相氮化硅 电子结构 能带结构 光学性质     

α和β-Si3N4的电子、光学及热力学性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了α-Si₃N₄和β-Si₃N₄的晶体结构、电子结构、光学性质和声子谱,并对结果进行了理论分析.计算结果表明两种相都含有较强的共价键,均为绝缘体,且α-Si₃N₄的禁带宽度略大于β-Si₃N₄.计算获得的光学吸收系数表明α-Si₃N₄和β-Si₃N₄主要吸收紫外光,并二者的能量损失峰在24.4 eV附近.α-Si₃N₄和β-Si₃N₄的声子谱中均无虚频,表明二者的结构是稳定的.在0～1000 K范围内,α-Si₃N₄的热容约为β-Si₃N₄的两倍.本文的计算结果可以为Si₃N₄     

纳米非晶氮化硅键态结构的X射线径向分布函数研究

本文用X射线径向分布函数法研究了室温到1000℃不同退火条件下的纳米非晶氮化硅样品的微结构和键合特征。观察到占庞大体积百分数界面不是“gas-like”结构,而是与非晶纳米粒子不同的新的短程序结构。Si—N键长和最近邻原子配位数(CN)均比传统Si₃N₄小,并存在大量的Si悬键和不饱和键。纳米氮化硅与传统Si₃N₄饱和共价键不同,是含有大量非饱和键和悬键的非典型共价键结构。由于键配位的不饱和特征,纳米非晶氮化硅的分子式应写作Si_3-xN_4-y。纳米非晶氮化硅出现强极性与非饱和键和悬键有密切的关系。 关键词：     

Si3N4/Si表面Si生长过程的扫描隧道显微镜研究

利用原位扫描隧道显微镜和低能电子衍射分析了Si的纳米颗粒在Si₃N₄/Si(111)和Si₃N₄/Si(100)表面生长过程的结构演变.在生长早期T为350—1075K范围内,Si在两种衬底表面上都形成高密度的三维纳米团簇,这些团簇的大小均在几个纳米范围内,并且在高温退火时保持相当稳定的形状而不相互融合.当生长继续时,Si的晶体小面开始显现.在晶态的Si₃N₄(0001)/S 关键词： 氮化硅 扫描隧道显微镜 纳米颗粒     

气体吸附对硅锗异质结纳米线电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法探讨了沿[112]晶向的硅锗异质结纳米线作为气体传感器检测CO,CO₂和Cl₂的能力,着重计算了其吸附气体分子前后的吸附能、能带结构与光学性质.几何结构优化计算表明：不同硅锗组分的[112]晶向的硅锗纳米线对CO,CO₂和Cl₂分子的吸附能的绝对值在0.001 eV至1.36 eV之间,其中Si₂₄Ge₃₆H₃₂对CO₂气体的吸附能最大,气敏性能最好.能带结构计算表明：吸附CO和CO₂分子的[112]晶向硅锗纳米线能带的简并度明显减小,带隙变化较小;而吸附Cl₂分子后的价带顶与导带底之间产生了杂质能级使其带隙减小.光学性质计算表明：Si₂₄Ge₃₆H₃₂纳米线吸附CO, CO₂和Cl₂分子后的光学...     

Cu掺杂β-Si3N4的力学性能和电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函的第一性原理方法研究了(Si_3-xCu_x)N₄(x=0,0.25,0.5,0.75,1)晶体的稳定性、力学性能和电子结构,分析了Cu掺杂对β-Si₃N₄力学性能的影响机制.结果表明,(Si_3-xCu_x)N₄为热力学稳定结构,Cu掺杂降低了β-Si₃N₄的稳定性.由弹性常数和Voigt-Reuss-Hill近似看出,(Si_3-xCu_x)N₄满足波恩力学稳定性判据,Cu掺杂使得β-Si₃N₄的体模量、剪切模量和杨氏模量降低,当x=0时,(Si_3-xCu_x)N₄的体模量、剪切模量和杨氏模量最大,分别为234.3 GPa、126.7 GPa和322.1 GPa.根据泊松比和G/B值判断出(...     

热压法制备多孔氮化硅陶瓷

以CaF₂作为α-Si₃N₄粉末的烧结助剂,同时充当多孔氮化硅陶瓷的造孔剂,采用热压烧结工艺在较低温度下制备多孔氮化硅陶瓷。研究烧结助剂的含量对多孔氮化硅陶瓷显气孔率、抗弯强度的影响,分析材料的组分并观察断口结构。结果表明：在温度1 450℃,压力0.55T的条件下,当CaF₂添加量为6.0wt%时,多孔陶瓷的性能较为优异,其孔隙率为38.8%,α-Si₃N₄→β-Si₃N₄的相变程度为38.5%,抗弯强度为137.1 MPa。     

AlN/Si3N4纳米多层膜的外延生长与力学性能

采用射频磁控溅射方法制备单层AlN, Si₃N₄薄膜和不同调制周期的AlN/Si₃N₄纳米多层膜.采用X射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜和纳米压痕仪对薄膜进行表征.结果发现,多层膜中Si₃N₄层的晶体结构和多层膜的硬度依赖于Si₃N₄层的厚度.当AlN层厚度为4.0nm、 Si₃N₄层厚度 关键词： 3N₄纳米多层膜')" href="#">AlN/Si₃N₄纳米多层膜 外延生长 应力场 超硬效应     

Si3N4在h-AlN上的晶体化与AlN/Si3N4纳米多层膜的超硬效应

采用反应磁控溅射法制备了一系列具有不同Si₃N₄层厚度的AlN/Si₃N₄纳米多层膜,利用X射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜和微力学探针表征了多层膜的微结构和力学性能.研究了Si₃N₄层在AlN/Si₃N₄纳米多层膜中的晶化现象及其对多层膜生长结构与力学性能的影响.结果表明,在六方纤锌矿结构的晶体AlN调制层的模板作用下,通常溅射条件下以非晶态存在的Si₃N₄层在其厚度小于约1nm时被强制晶化为结构与AlN相同的赝形晶体,AlN/Si₃N₄纳米多层膜形成共格外延生长的结构,相应地,多层膜产生硬度升高的超硬效应.Si₃N₄随层厚的进一步增加又转变为非晶态,多层膜的共格生长结构因而受到破坏,其硬度也随之降低.分析认为,AlN/Si₃N₄纳米多层膜超硬效应的产生与多层膜共格外延生长所形成的拉压交变应力场导致的两调制层模量差的增大有关. 关键词： 3N₄纳米多层膜')" href="#">AlN/Si₃N₄纳米多层膜 外延生长 赝晶体 超硬效应     

Ge,Al掺杂锰硅化和物Mn4Si7的第一性原理计算

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,对本征Mn₄Si₇以及Ge, Al单掺杂和共掺杂Mn₄Si₇的晶体结构,能带结构,态密度以及光学性质进行了计算和分析.计算结果表明:本征态Mn₄Si₇的禁带宽度为0.810 eV,为直接带隙半导体材料,掺杂后晶体结构稍微变化,禁带宽度减小,且共掺杂时禁带宽度最小,电导率最好.Al以及Ge, Al共同掺杂时会产生杂质能级.掺杂后光子能量向低能级方向移动,光电导率,光吸收,反射系数都有所增大,说明掺杂改善了Mn₄Si₇的光学性质,从而可以提高光伏发电效率.     

高分辨电子显微镜研究α-Si3N4晶格缺陷

对于用MgO和LiF作为添加剂以热压法制备的α-Si₃N₄进行高分辨电子显微镜观察时,发现结构缺陷。观察到在三晶粒晶界处有分相现象,这表明晶界玻璃相化学成分不均匀。在晶粒中,由晶格变形和(100)晶面位移所引起应力区域时有发现。在有些区域晶格变形是如此严重,以致晶胞的六方对称性都失掉了。晶格的形变可借助于(100)晶面间距与正常值6.771?的偏离加以衡量。用高分辨电子显微镜,我们发现α-Si₃N₄存在辐射损伤,这可能 关键词：     

Analytical electron microscopy of a reaction-bonded Si3N4-based ceramic containing oxide additions

The microstructure of a silicon nitride (Si₃N₄)-based ceramic, prepared by a process combining direct nitridation and reactive liquid phase sintering of silicon/ceramic oxide powder compacts, has been characterised using analytical transmission electron microscopy. The presence of the reactive liquid phase, promoted by the addition of oxides from the CaO-Al₂O₃-SiO₂ ternary system, resulted in an as-fired microstructure containing a mixture of crystalline phases based on -Si₃N₄, β-Si₃N₄ and Si₂ N₂O, and distinct amorphous regions rich in Si, Al and Ca. X-ray microanalysis revealed the calcium to be wholly partitioned to the glassy phase, while significant concentrations of aluminium were detected in both β-Si₃N₄ and Si₂N₂O. The observed compositions of these phases, together with measured lattice parameters systematically in excess of those of the pure compounds, imply that they are in fact β- and O-sialons respectively. Semi-quantitative energy dispersive X-ray spectroscopy, using an ultra-thin window detector, is demonstrated to be capable of distinguishing clearly between these phases according to their oxygen content and of determining the aluminium content of both phases to within ± 1 equ.%, even at concentration levels of <5 equ.%.     

C+注入a-SiNx：H薄膜的微结构及光发射的研究

常温下对低压化学气相沉积制备的纳米硅镶嵌结构的a-SiN_x:H薄膜进行低能量高剂量的C⁺注入后,在800~1200℃高温进行常规退火处理。X射线光电子能谱(XPS)及X射线光电子衍射(XRD)等实验结果表明,当退火温度由800℃升高到1200℃后,薄膜部分结构由SiC_xN_y转变成SiN_x和SiC的混合结构。低温下利用真空紫外光激发,获得分别来自于SiN_x、SiC_xN_y、SiC的,位于2.95,2.58,2.29 eV的光致发光光谱。随着退火温度的升高,薄膜的结构发生了变化,发光光谱也有相应的改变。     

On reasons of Si NMR chemical shift/structure relations for silicon oxides, nitrides, and carbides: An individual-gauge-for-localized-orbitals study

For -quartz, monoclinic ZSM-5, -and β-Si₃N₄ and SiC---6H polytype, the silicon chemical shifts have been calculated using the IGLO (individual gauge for localized orbitals) method and models of different size in real crystal geometry. The result is a theoretical chemical shift scale, which is very similar to the corresponding experimental scale from ²⁹Si MAS NMR experiments. It is shown that the assignment of isotropic silicon chemical shifts of crystallized solids based on theory is a method of practical applicability, also in cases where experimental methods or empirical relations fail. The two NMR spectral lines of -Si₃N₄ are for the first time assigned to the crystallographic positions. The partition of the silicon chemical shifts into localized contributions from different parts of the model allows insight into the interactions around the resonance nucleus due to substituent and geometry variations leading to silicon chemical shifts.     

Hf-N体系的晶体结构预测和性质的第一性原理研究

为了寻找具有优异力学性能的新型超高温陶瓷材料, 结合进化算法和第一性原理, 系统研究了Hf-N二元体系所有稳定存在的化合物及其晶体结构. 除了实验已知的岩盐结构的HfN之外, 本文还找到了Hf₆N(R-3), Hf₃N(P6₃22), Hf₃N₂(R-3m), Hf₅N₆(C2/m)和Hf₃N₄(C2/m)五种新结构, 基于准简谐近似原理计算了这些稳定结构的声子谱以验证其动力学稳定性, 常温甚至更高温度下的吉布斯自由能以验证其高温热力学稳定性. 结果表明, 这些结构是动力学稳定的, 且在1500 K以下都是热力学稳定的. 同时, 本文还列出了在搜索过程中出现的空间对称性较高、能量较低的亚稳态结构, 包括Hf₂N(P4₂/mnm), Hf₄N₃(C2/m), Hf₆N₅(C2/m), Hf₄N₅(I4/m), Hf₃N₄(I-43d)和Hf₃N₄(Pnma). 之后计算了上述所有结构的力学性质(弹性常数、体模量、 剪切模量、 杨氏模量、硬度), 随着N 所占比例的增加, 硬度呈现的整体趋势是先增大后下降, 在Hf₅N₆处取得最大值, 为21 GPa. 其中Hf₃N₂和Hf₄N₅也展现出了较高的硬度, 都为19 GPa. 最后, 计算了这些结构的电子态密度和晶体轨道汉密尔顿分布, 从电子结构的角度分析了力学性能的成因. 研究结果显示, 较强的Hf-N共价键和较低的结构空位率是Hf₅N₆具有优异力学性能的主要原因.     

第一性原理研究O和S掺杂的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)_6量子点电子结构和光吸收性质

利用密度泛函和含时密度泛函理论研究了氧(O)和硫(S)原子掺杂的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)_6量子点的几何、电子结构和紫外-可见光吸收性质.结果表明:掺杂后(g-C_3N_4)_6量子点杂质原子周围的C-N键长发生了一定的改变,最高电子占据分子轨道-最低电子未占据分子轨道(HOMO-LUMO)能隙显著减小.形成能的计算表明O原子取代掺杂的(g-C_3N_4)_6量子点体系更稳定,且O原子更易取代N3位点,而S原子更易取代N8位点.模拟的紫外-可见电子吸收光谱表明,O和S原子的掺杂改善了(g-C_3N_4)_6量子点的光吸收,使其吸收范围覆盖了整个可见光区域,甚至扩展到了红外区.而且适当的杂质浓度使(g-C_3N_4)_6量子点光吸收在强度和范围上都得到明显改善.通过O和S掺杂的比较,发现二者在可见光区对(g-C_3N_4)_6量子点的光吸收有相似的影响,然而在长波长区域二者的影响有明显差异.总体而言,O掺杂要优于S掺杂对(g-C_3N_4)_6量子点光吸收的影响.     

Deposition and characterization of carbon nitride films from hexamethylenetetramine/N2 by microwave plasma-enhanced chemical vapor deposition

Carbon nitride thin films were deposited on Si(1 0 0) substrate by microwave plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Hexamethylenetetramine (HMTA) was used as carbon and nitrogen source while N₂ gas was used as both nitrogen source and carrier gas. The sp³-bonded C---N structure in HMTA was considered significantly in the precursor selection. X-ray diffraction analysis indicated that the film was a mixture of crystalline - and β-C₃N₄ as well as graphitic-C₃N₄ and β-Si₃N₄ which were not easily distinguished. Raman spectroscopy also suggested the existence of - and β-C₃N₄ in the films. X-ray photoelectron spectroscopy study indicated the presence of sp²- and sp³-bonded C---N structures in the films while sp³C---N bonding structure predominated to the sp² C---N bonding structure in the bulk composition of the films. N was also found to be bound to Si atoms in the films. The product was, therefore, described as CN_x:Si, where x depends on the film depth, with some evidences of crystalline C₃N₄ formation.     

Rigorous reflectance performance analysis of Si3N4 self-suspended subwavelength gratings

In this paper, we make an investigation into the reflectance performance of the Si₃N₄ self-suspended subwavelength grating (SSG) via changing several parameters including the incident wavelength, the grating period, the grating thickness and the grating filling ratio. For TM polarization of incidence, numerical results by the rigorous coupled-wave method reveal that the reflectance spectrum of the Si₃N₄ SSG has a narrow linewidth (less than 1 nm), high peak reflectance (100%), and low side bands (less than 0.5%) simultaneously in the optical telecommunication wavelength region. By using a micro-electromechanical-systems actuator, it is believed that the Si₃N₄ SSG should serve as tunable optical filters in optical telecommunication systems.     

基于原位等离子体氮化及低压化学气相沉积-Si_3N_4栅介质的高性能AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的研究

通过对低压化学气相沉积(LPCVD)系统进行改造,实现在沉积Si_3N_4薄膜前的原位等离子体氮化处理,氮等离子体可以有效地降低器件界面处的氧含量和悬挂键,从而获得了较低的LPCVD-Si_3N_4/GaN界面态,通过这种技术制作的MIS-HEMTs器件,在扫描栅压范围V_(G-sweep)=(-30 V,+24 V)时,阈值回滞为186 mV,据我们所知为目前高扫描栅压V_(G+)(20 V)下的最好结果.动态测试表明,在400 V关态应力下,器件的导通电阻仅仅上升1.36倍(关态到开态的时间间隔为100μs).     

Si,Lu掺杂Ca0.8Zn0.2TiO3:Pr3+荧光粉的光学性能改善

采用高温固相法合成Ca_0.8Zn_0.2TiO₃：0.2% Pr³⁺,Si⁴⁺和Ca_0.8Zn_0.2TiO₃：0.2% Pr³⁺,Si⁴⁺,Lu³⁺荧光粉。通过X射线衍射仪、电子顺磁共振光谱仪、显微拉曼光谱仪和荧光光谱仪等表征了该系列荧光粉的物相组成、微观结构和发光性质。结果表明,以β-Si₃N₄为硅源制备的荧光粉具有最佳的光学性能。加入ZnO后,荧光粉由CaTiO₃、Zn₂TiO₄和Ca₂Zn₄Ti₁₆O₃₈三相组成,其中CaTiO₃为主相。电子顺磁共振谱证实了Pr⁴⁺存在,Lu³⁺的添加使[Pr⁴⁺Ti³⁺O₃]⁺簇显著增加,电子顺磁共振谱和拉曼光谱均证实Si⁴⁺、Lu³⁺的掺杂使局部TiO₆簇对称性提高,有利于Pr³⁺发光中心的能量传递。在336 nm激发下,荧光粉展示了很强的位于612 nm的红光发射（归属于Pr³⁺的¹D₂→³H₄跃迁）及理想的红光色坐标（x=0.670,y=0.330）。Si⁴⁺和Lu³⁺的添加显著增强了370 nm激发下红光发射,Ca_0.8Zn_0.2TiO₃：0.2% Pr³⁺,3.2% Si⁴⁺荧光粉的余辉寿命最长。