Ti-Si-N界面相形成條件的第一性原理研究.pdf

1、眾所周知,Ti-Si-N納米復(fù)合薄膜具有良好的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等性能。研究者認(rèn)為TiN與Si3N4兩相分離,且界面相SiN包裹納米晶TiN是導(dǎo)致超硬的主要原因。為了明確Ti-Si-N納米復(fù)合薄膜的超硬機(jī)理,首先應(yīng)該明確Ti-Si-N復(fù)合薄膜界面結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程及條件。而準(zhǔn)確分析界面結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程,則有必要深入了解TiN相與SiN相分離的細(xì)節(jié),并計(jì)算形成界面相所需的激活能。這樣的研究可以為Ti-Si-N超硬表面的制造工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。本

2、文采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理方法,模擬仿真界面結(jié)構(gòu)SiNx的形成過(guò)程與所需條件,探討了N、Ti粒子沉積比例的增加對(duì)界面形成過(guò)程的作用,以及TiN(001)表面上2D島的生長(zhǎng)形狀。首先,計(jì)算在TiN(001)表面上各島構(gòu)型的總能量和吸附能、各構(gòu)型演變過(guò)程中粒子的遷移路徑與所需激活能的大小。其次,分析界面形成過(guò)程的難易程度,以及Ti、N粒子對(duì)界面形成過(guò)程中SiN相與TiN相分離的作用。最后,分析Ti、Si、N單粒子沿TiN(

3、110)島方向上的遷移行為、TiN(001)方向上粒子在2D島周邊的動(dòng)力學(xué)行為,以及TiN(001)表面上2D島構(gòu)型生長(zhǎng)的主要方式。得到以下主要結(jié)論:
　　一、七種島構(gòu)型演變都可以導(dǎo)致TiN相與SiN相分離形成界面結(jié)構(gòu),其中4N4Ti1Si島構(gòu)型演變所需的激活能最低(1.21eV),是形成界面相對(duì)容易的方式。SiN在TiN島邊界上的島構(gòu)型是低能量穩(wěn)定結(jié)構(gòu),其原因是Ti-N的鍵合強(qiáng)度比Si-N的鍵合強(qiáng)度大。
　　二、N粒子比例

4、的逐漸增加,各構(gòu)型演變所需的激活能呈“凹”字曲線。構(gòu)型3N2Ti1Si演變所需激活能較小,即在粒子比為N:Ti=3:2時(shí),SiN相與TiN相分離相對(duì)容易。隨著Ti粒子比例的增加,各構(gòu)型演變所需的激活能呈“凸”字曲線。構(gòu)型4N2Ti1Si演變所需激活能較大,構(gòu)型4N4TiSi演變所需激活能較小。即在粒子比為N:Ti=2:1時(shí),SiN相與TiN相的分離相對(duì)困難;而在粒子比為N:Ti=1:1時(shí),SiN相與TiN相分離相對(duì)容易,在較低的沉積條件