TiN和Ti1-xSixNy薄膜的微观结构分析

使用x射线衍射(XRD)、x射线光电子谱(XPS)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和原子力显微镜(AFM)多种观测手段分析了TiN薄膜和Ti1-xSixNy纳米复合薄膜的微观结构.实验分析证明Ti1-xSixNy薄膜是由直径为3-5nm的纳米晶TiN和非晶Si3N4相构成,并且Ti1-xSixNy薄膜的表面粗糙度小于相同条件下制备的TiN薄膜,在Ti1-xSixNy薄膜体系的自由能中引入界面能的概念,在此基础上分析了体系中TiN晶粒的取向问题.     

SiN、Si2N分子的结构与势能函数

应用密度泛函B3LYP方法,采用aug-cc-pvtz基组对SiN(X2∑ )进行了理论计算,得到了它的微观几何结构,力学性质和光谱性质,结果表明SiN的平衡核间距为0.1739 nm,基态的离解能为4.5907 eV,谐振频率为1175.3820 cm-1,与实验结果符合得非常好,并得到了它的Murrell-Sorbie势能函数.用密度泛函B3P86/6-311 G(3d2f),优化出Si2N(X2A1)分子稳定构型为C2V,其平衡核间距Re=0.16712 nm、∠SiNSi=94.3862°,同时计算出了离解能、力常数及谐振频率.在推断出Si2N的离解极限此基础上,应用多体展式理论方法,导出了基态Si2N分子的分析势能函数,该势能表面准确地再现了Si2N(X2A1)分子的结构特征和能量变化.     

PIIID复合强化处理轴承钢表面TiN膜层的XPS表征

用等离子体浸没离子注入与沉积(PIIID)复合强化新技术在AISI52100轴承钢基体表面成功合成了硬而耐磨的氮化钛薄膜。膜层表面的化学组成和相结构分别用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征;膜层表面的原子力显微镜(AFM)形貌显示出TiN膜结晶完整,结构致密均匀。XRD测试结果表明,TiN在(200)晶面衍射峰最强,具有择优取向。Ti(2p)的XPS谱峰泰勒拟合分析揭示出,Ti(2p_1/2)峰和Ti_2p3/2峰均有双峰出现,表明氮化物中的Ti至少存在不同的化学状态;N(1s)的XPS谱峰在396.51, 397.22和399.01 eV附近出现了三个分峰,分别对应于TiNO_y,TiN和N—N键中的氮原子。结合O(1s)的XPS结果,证实膜层中除生成有稳定的TiN相外,还有少量钛的氧化物和未参与反应的单质氮。整个膜层是由TiN,TiO₂,Ti—O—N化合物和少量单质氮组成的复合体系。     

添加Y改善离子镀氮化钛膜的结构与性能

评价了离子镀氮化钛(TiN)和Y改性氮化钛(Ti(Y)N)膜的结合强度和在酸性介质中的耐蚀性能;用X射线衍射,离子探针质谱分析(IMA),透射电子显微镜(TEM)研究它们的显微结构特征;结果表明,添加Y元素富集在Ti(Y)N与A₃钢基材界面区域,并形成厚度约为20nm的亚层,Y的界面改性导致Ti(Y)N膜的X射线衍射线形略有宽化和明显的TiN相(111)面的择优生长取向;这些显微结构特征的改善导致Ti(Y)N膜比TiN膜具有更高的界面结合强度和更好的耐蚀性能。 关键词：     

Sin－1N和Sin－2N2（n=3~9）团簇结构与光振动能谱

用密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)的B3LYP/ 6-311G(d)方法,对Sin－1N和Sin－2N2 (n=3~9)团簇的几何构型、总能量、光振动能谱等性质进行了理论研究.通过对基态结构的几何参量分析发现,对Sin－2N2 (n=3~9)团簇,只有在SiN2和Si2N2结构中N-N成键;n＞4团簇结构,N-N不成键.对团簇能量讨论的结果表明;对于Sin－1N (n=3~9)团簇,总原子数是偶数的团簇比奇数的稳定;对于Sin－2N2(n=3~9)团簇,总原子数是奇数的团簇比偶数的稳定.     

Nb-17at%Si合金的压力温度相图

我们知道,Nb3Si有三种同素异构体,其中L12相(Cu3Au型)是由粉末烧结得到的[1],A15相Nb3Si可能是一种高温超导体,但一般只能得到偏离化学配比的化合物[2,3],在常压下往往是Ti3P型结构[4]。 高压有利于形成高密度相.Ti3P结构Nb3Si的平均原子体积为 16.79埃3/原子,稍大于 A15相Nb3Si的平均原子体积(16.39埃3/原子),其晶格常数a大约为5.08埃[5].在高压下,Ti3P结构是转变为A15相还是发生其他何种转变?这是一个值得研究的课题. 实验表明,Nb-1 7 at% Si合金比较容易形成Ti3P型结构.而按照化合物成分配制Nb-2 5at% Si合金一般得不到 Ti3P…     

过渡金属氮化物中单原子固溶和力学性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,计算Si原子在Ti族和V族氮化物中以及B、C和Ge原子在TiN晶体中固溶的稳定结构,讨论置换型和间隙型固溶的低能量稳定结构与晶体间距的关系,研究金属氮化物和固溶原子固溶结构的力学性能.结果表明:Si原子在TiN、ZrN、HfN和TaN晶体中固溶以及Ge原子在TiN晶体中固溶情况为,单原子不进入对应过渡金属氮化物晶体中形成间隙固溶或置换固溶,随着晶体间距离变化单原子可以在晶体之间形成间隙固溶或置换固溶;Si原子在NbN以及B原子在TiN晶体中可以实现间隙固溶,而不能形成置换固溶;Si原子在VN和C原子在TiN晶体中固溶结构形式均为置换固溶.单原子固溶形成低能量置换型固溶体和间隙型固溶体的弹性常数、体模量和剪切模量均低于原过渡金属氮化物的对应值.     

密度泛函方法研究Nb2Sin(n=1～6)团簇

运用密度泛函方法在(U)B3LYP/LanL2DZ水平上研究了两个铌原子掺杂硅团簇的几何和电子结构。计算结果表明,Nb2Sin(n=1～6)团簇相对最稳定的结构基本上都保持了Sin+2团簇基态构型的框架,且除了Nb2Si2团簇外,所有的基态都是单重态构型.Nb2Si3的分裂能最大,成为Nb2Sin( n=1～6)团簇中热力学稳定性最强的. 在Nb2Si团簇和Nb2Si2 团簇中电子是从Nb原子向Si原子转移的;当n=3～6时,两个Nb原子的自然电子布局为负,说明Nb2Sin(n=3～6)团簇原子中带电子从Si原子转移到两个Nb原子,电子转移方向发生了改变,即发生了电子反转现象。     

Ti-Si-N复合膜的界面相研究

为了揭示Ti_Si_N复合膜中Si₃N₄界面相的存在方式及其对薄膜力学 性能的影响 ，采用x射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜、俄歇电子能谱仪和显微硬度仪对比研究了磁 控溅射Ti_Si_N复合膜和TiN/Si₃N₄多层膜的微结构和力学性能. 实 验结果表明 ，Ti_Si_N复合膜均形成了Si₃N₄界面相包裹TiN纳米晶粒的微结构. 其中低Si 含量的Ti_Si_N复合膜中Si₃N₄界面相的厚度小于1nm，且以晶体态 存在，薄膜 呈现高硬度. 而高Si含量的Ti_Si_N复合膜中的Si₃N₄界面相以非晶 态存在，薄 膜的硬度也相应降低. 显然，Ti_Si_N复合膜中Si₃N₄界面相以晶体 态形式存在 是薄膜获得高硬度的重要微结构特征，其强化机制可能与多层膜的超硬效应是相同的. 关键词： Ti－Si－N复合膜 界面相 微结构 超硬效应     

退火诱导机械合金化Fe42.5 A142.5 Ti5 B1o合金的结构演变与晶粒生长动力学

利用XRD和TEM方法研究Fe42.5 Al42.5 Ti5B10合金在机械合金化及等温热处理过程中的结构演变及品粒生长动力学,讨沦了机械合金化合成机理和热处理过程巾的晶粒生长机理.结果表明,球磨过程中Al,Ti,B原子向Fe晶格中扩散,形成re(Al,Ti,B)固溶体.机械合金化合成Fe(A1,Ti,B)遵循连续扩散混合机理.球磨50 h后,金属Fe,Al,Ti,B已完全合金化,球磨终产物为纳米晶Fe(Al,Ti,B).球磨50h的粉体在热处理过程中除了发牛晶体缺陷和应力释放等过程以外,Fe(Al,Ti,B)分解形成纳米晶B2一FeAI及TiB2组成相.根据晶粒生长动力学理论计算纳米晶FeAI的晶粒牛长激活能为525.6 kJ/mol.     

氮化硅膜致小尺寸金属氧化物半导体晶体管沟道单轴应变物理机理

应力作用下MOS性能可显著提升, 小尺寸MOS沟道中单轴应力的引入可通过在MOS表面覆盖淀积SiN膜实现. 虽然该工艺已广泛应用于MOS性能的提升, 但有关SiN膜致MOS沟道应力的产生机理、作用机理, 以及SiN膜结构与MOS沟道应力类型关联性等方面的研究仍需深入探讨. 本文基于ISE TCAD仿真, 提出了分段分析、闭环分析和整体性分析三种模型. 通过对Si MOS源、栅、漏上多种SiN膜淀积形式的深入分析, 揭示了SiN膜致MOS 沟道应力产生与作用物理机理. 研究发现: 1) “台阶”结构是SiN膜导致MOS沟道应变的必要条件; 2) SiN膜具有收缩或者扩张的趋势, SiN膜主要通过引起MOS源/漏区域Si材料的形变, 进而引起沟道区Si材料发生形变; 3)整体SiN膜对沟道的应力等于源/漏上方SiN膜在源/漏所施加的应力、“闭环结构”对沟道内部所施加的应力以及SiN膜的完整性在沟道产生的应力的总和. 本文物理模型可为小尺寸MOS工艺制造, 以及MOS器件新型应力引入的研究提供有价值的参考.     

MC与M_(n+1)AC_n稳定性与电子特征的第一性原理研究

研究M C与M n+1A C n(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn;A=Al,Si,P,S;n=1,2,3)结构的稳定性与电子特征有利于探究三元层状结构M n+1A C n稳定性的内在原因和设计新型M n+1A C n结构.第一性原理计算研究表明,M-3d与C-2p轨道间的电子转移对M C与M n+1A C n的形成焓有较大影响.供电子能力较强的前过渡金属可以形成稳定的M C结构.计算结果显示,M C结构是缺电子体系,其趋向于与具有一定供电子能力的MA结构结合形成M n+1A C n.与M2PC和M2SC相比,M2Al C和M2Si C可以更为容易地被分离成二维M2C结构.     

基于第一原理计算拟合Ti,Si,N原子间作用势

为了实现时Ti-Si-N纳米薄膜的原子尺度仿真,本文根据第一原理计算结果,采用Morse势对Ti,Si,N之间作用势进行拟合,并利用TiN二维拉伸模型进行验证.拟合结果表明,采用简单作用势拟合第一原理结果,此方法简单有效,为将来对Ti-Si-N纳米复合材料的仿真奠定了基础.     

特殊构型Si_2N_2分子团簇电致激发特性的密度泛函理论研究

以在可见光区有吸收峰的Cs构型的Si2N2分子团簇为研究对象,利用密度泛函B3LYP方法,在aug-ccpVTZ基组水平下优化得到了处于不同外电场中的Si2N2分子团簇的稳定结构.分析发现:在不同的外电场中,Si2N2分子构型对称性没有发生改变,均为Cs对称性,且都有6种振动模式;随着外电场强度的逐渐增大,Si2N2分子振动频率较低的前三种振动模式的频率略有减小,而后三种振动模式的频率逐渐增加;随着外电场强度的逐渐增大,在一定电场范围内最高占据分子轨道与最低空分子轨道的能隙值出现振荡,之后能隙值随着外电场强度的增大而减小.在此基础上,采用含时密度泛函TD-B3LYP方法研究了外电场对Si2N2分子吸收谱的影响规律.计算得到的吸收谱范围在紫外-可见光区,这与实验值相符合.随着外电场强度的逐渐增大,在可见光区吸收谱发生红移,最大跃迁振子强度逐渐增大.结果表明,施加外电场有利于Si2N2分子在可见光区的吸收,也有利于操控分子特定激发态的电子状态,进而调节相应的跃迁光谱特性,可达到获得所需特定波长的要求.     

SrTiO3薄膜生长初期Sr,Ti,O原子分子反应机理的理论研究

在激光分子束外延(LMBE)生长SrTiO3(STO)薄膜过程中,激光闪蒸出的Sr,Ti,O原子的微观反应过程及粒子形态是STO薄膜生长初期形成的关键.采用密度泛函理论中的广义梯度近似(DFT/GGA)方法,在PW91/DNP水平上研究了Sr,Ti,O原子在真空中的优先反应过程和形态,计算研究了SrO,TiO2和STO分子形成的反应机理,获得了相应的中间体和过渡态及反应活化能,并运用前线轨道理论分析了STO分子的形成机理.对比计算了STO分子可能的几何构型,得到了比较稳定的构型,其几何特征与STO单胞部分相似.计算研究表明,SrO,TiO2,STO分子是LMBE外延生长STO薄膜初期的主要粒子形态.     

基于第一原理拟合Ti,Si,N原子间作用势

为了实现对Ti-Si-N纳米薄膜的原子尺度仿真,本文根据第一原理计算结果,采用Morse势对Ti,Si,N之间作用势进行拟合,并利用TiN二维拉伸模型进行验证。拟合结果表明,采用简单作用势拟合第一原理结果,此方法简单有效,为将来对Ti-Si-N纳米复合材料的仿真奠定了基础。     

亚稳态Fe／Cu颗粒膜脱附激活能分析

采用共蒸发法在一定压强下制备了不同组分的Fe x′Cu1-x′颗粒膜,用扫描电子显微镜(SEM)观测其表面形态,根据照片分析测出各小岛颗粒的平均半径r′及颗粒边缘间距δ,由此计算出单位面积上的颗粒数N.基于假设亚稳态Fe/Cu固溶体中所有原子位置都被同一种设想的平均原子S所占据的模型,利用固体与分子电子理论讨论了平均原子的特征参数,导出了粒子脱附激活能的计算公式,计算得到Fe/Cu颗粒膜中(平均原子S)粒子的脱附激活能要比Fe或Cu的扩散激活能大近5倍,粒子脱附激活能数值在3.616 2～3.660 0 eV之间,且随Fe含量增大而增大.     

Si3N4团簇结构与性质的密度泛函理论研究

用杂化密度泛函B3LYP在6-31G*的水平上研究了Si3N4团簇可能结构的平衡几何构型和电子结构,得到了24个可能的异构体.Si3N4团簇的最稳定结构是由7个Si—N键和2个N—N键形成的3个四边形构成的三维结构.用自然键轨道方法(NBO)分析了成键性质,结果表明,Si—N键中的Si、N原子的净电荷较大,说明Si—N键中Si、N原子的相互作用主要是电相互作用.最强的IR和Raman峰分别位于1033.40 cm-1,473.63 cm-1处.并且讨论了最稳定结构的极化率和超极化率.     

Si2CN4(010)表面特性的第一性原理研究

应用第一性原理系统地研究了不同端面Si₂CN₄(010)模型的表面特性.通过3种可能表面模型解离能的比较,表明位于SiN层内的Si—NⅡ 键结合最强,而与碳二亚胺链状结构相连的Si—NⅠ 键结合最弱,因此易于形成以Si/NⅠ 键为端面的表面.文中还研究了弛豫前后表面的原子结构和电子特性,表面的NⅠ 原子容易形成新键,这是由于不饱和的NⅠ 原子在费米能级处有较高的态密度,电子结构不稳定,相反表面C原子状态较稳定,无明显的成键趋势. 关键词： 2CN₄')" href="#">Si₂CN₄ 表面 原子结构 电子结构     

Ti_3AC_2相(A=Si,Sn,Al,Ge)电子结构、弹性性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论平面波赝势法,通过广义梯度近似研究了Ti_3AC_2相(A=Si,Sn,Al,Ge)的相结构、能量、电子结构和弹性性质.首先对六方晶相结构的Ti_3AC_2(A=Si,Sn,Al,Ge)四个相进行几何优化,对其能带结构、总态密度、分态密度和电荷密度分布以及弹性性质进行研究,并计算各相的内聚能与形成能.计算结果表明:Ti_3GeC_2较其他三相稳定,Ti_3AlC_2的形成能最低,说明Ti_3AlC_2较Ti_3SiC_2,Ti_3SnC_2和Ti_3GeC_2更易生成;Ti_3AC_2(A=Si,Sn,Al,Ge)各相在费米能级处的电子态密度较高,材料表现出较强的金属性,同时各相的导电性为各向异性.Ti_3AC_2(A=Si,Sn,Al,Ge)各相的导电性主要由Ti的3d电子决定,A(A=Si,Sn,Al,Ge)的p态电子和C的2p态电子也有少量贡献.决定材料电学性质的主要是Ti的3d,A的P和C的2P态电子的P-d电子轨道杂化,而P-d电子轨道杂化成键则使材料具有比较稳定的结构;对Ti_3AC_2相(A=Si,Sn,Al,Ge)弹性性质的研究表明Ti_3AlC_2的原子间结合力较弱,而Ti_3GeC_2的原子间结合力相对较强,材料的强度较大.