硅系薄膜和新結(jié)構(gòu)鈦酸鉛的生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)與性能的計(jì)算和模擬研究.pdf

1、本文針對(duì)微觀尺度上的材料研究工作，介紹了該領(lǐng)域所涉及的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的分類、發(fā)展以及應(yīng)用狀況。重點(diǎn)綜述了分子動(dòng)力學(xué)方法(Molecular DynamicsMethod)、蒙特卡羅方法(Monte Carlo Method)和第一性原理方法(First-principlesMethod)的基本原理、數(shù)學(xué)技巧、應(yīng)用領(lǐng)域以及利用這些技術(shù)所取得的成果。使用相應(yīng)的計(jì)算模擬方法研究了硅系薄膜和前鈣鈦礦相鈦酸鉛生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)與性能等問(wèn)題。
　　

2、 使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬研究了熱分解化學(xué)氣相沉積條件下玻璃襯底上的硅原子沉積以及不同沉積溫度(500K-1000K)硅系薄膜生長(zhǎng)過(guò)程。模擬結(jié)果表明過(guò)高或過(guò)低的沉積溫度都不利于致密薄膜的生長(zhǎng)，沉積溫度升高將導(dǎo)致襯底中堿金屬離子擴(kuò)散增強(qiáng)。不同沉積溫度下都觀察到薄膜與襯底之間存在一個(gè)密度相對(duì)較小的分隔層，認(rèn)為堿金屬離子擴(kuò)散造成的靜電力是產(chǎn)生分隔層的重要原因，并提出摻雜電負(fù)性雜質(zhì)以改善薄膜與襯底間的結(jié)合狀態(tài)。隨后Si-C-O薄膜生長(zhǎng)的模擬研究結(jié)

3、果支持這一觀點(diǎn)，但是薄膜整體結(jié)構(gòu)變得松散，O含量過(guò)高會(huì)形成Si-O長(zhǎng)鏈從而降低Si-C-O薄膜均勻性。
　　 對(duì)使用透射、反射光譜測(cè)量陽(yáng)光控制鍍膜玻璃光學(xué)參數(shù)的工程問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并利用一種混合算法(模擬退火法與迭代算法結(jié)合)進(jìn)行求解。為提高模型的準(zhǔn)確性，分別引入考慮薄膜表而影響的粗糙度修正&更符合硅系薄膜能帶特點(diǎn)的修正Froouhi-Bloomer(FB)模型來(lái)描述折射率、消光系數(shù)與光波長(zhǎng)的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)使用修正FB模型獲得的薄

4、膜光學(xué)參數(shù)結(jié)果比使用粗糙度修正更符合實(shí)際狀況，數(shù)學(xué)求解過(guò)程也更加穩(wěn)定。這是一種實(shí)用有效的通過(guò)透射、反射光譜計(jì)算薄膜光學(xué)參數(shù)的方法，也便于實(shí)現(xiàn)陽(yáng)光控制鍍膜玻璃參數(shù)的在線測(cè)試。
　　 基于單顆粒介質(zhì)球散射的Maxwell方程組的解，給出了一種蒙特卡羅方法用于求解硅系薄膜中硅晶粒散射問(wèn)題，利用光線追蹤思想處理光子的傳播過(guò)程。模擬結(jié)果表明硅系薄膜中鑲嵌硅晶粒的散射強(qiáng)度隨粒徑增加而增大，隨入射光波長(zhǎng)增加而呈指數(shù)形式減小。粒徑小于20nm的

5、顆粒散射可以忽略，而大顆粒在短波長(zhǎng)范圍內(nèi)的散射會(huì)對(duì)薄膜的反射產(chǎn)生影響。通過(guò)調(diào)制硅薄膜內(nèi)硅晶粒的尺度和密度，能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)整薄膜的鏡面反射，從而有可能減輕硅系薄膜鍍膜玻璃的“光污染”。
　　 針對(duì)低輻射鍍膜玻璃雙層膜結(jié)構(gòu)(阻擋層和功能層)的膜系特點(diǎn)建立數(shù)學(xué)模型，并使用將模擬退火法與牛頓迭代法相結(jié)合的混合算法來(lái)求解?；旌戏椒ㄊ紫扔脕?lái)解決雙層膜結(jié)構(gòu)薄膜光學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化為單層膜結(jié)構(gòu)等效光學(xué)參數(shù)的問(wèn)題，然后求解了消除低輻射鍍膜玻璃反射色的

6、工程問(wèn)題。獲得的結(jié)果已用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，具有明顯的實(shí)用價(jià)值，并據(jù)此給出了進(jìn)一步降低反射色飽和度的指導(dǎo)建議。
　　 根據(jù)XRD譜線和能量最低原理確定了一種在PbTiO3單晶納米線中發(fā)現(xiàn)的新結(jié)構(gòu)(命名為前鈣鈦礦相，Pre-perovskite)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和晶胞填充。前鈣鈦礦PbTiO3具有TiO6八面體共邊連接形成柱狀的結(jié)構(gòu)特征，而且在室溫下穩(wěn)定。應(yīng)用第一性原理方法計(jì)算立方相、四方相和前鈣鈦礦相PbTiO3、BaTiO3的能帶結(jié)構(gòu)和

7、電子密度分布，分析了不同結(jié)構(gòu)中的鍵合特征。計(jì)算表明前鈣鈦礦相PbTiO3、BaTiO3構(gòu)成共價(jià)鍵的束狀三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)不僅提供了結(jié)構(gòu)的剛性框架，而且通過(guò)降低離子的有效電荷削弱了共邊引起的靜電斥力，是前鈣鈦礦相PbTiO3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要起源之一。立方相、四方相中均未能發(fā)現(xiàn)Pb(Ba)原子參與的共價(jià)鍵三維網(wǎng)絡(luò)。Ba-O之間形成共價(jià)鍵的勢(shì)壘遠(yuǎn)大于Pb-O，預(yù)測(cè)室溫穩(wěn)定的前鈣鈦礦相BaTiO3幾乎不可能存在。
　　 為分析前鈣鈦礦

8、相PbTiO3納米線特異的彎曲現(xiàn)象，應(yīng)用第一性原理方法計(jì)算了立方相、四方相和前鈣鈦礦相PbTiO3的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)、彈性系數(shù)和體模量。并就四方相PbTiO3比較了k-point網(wǎng)格和截?cái)嗄芰繉?duì)彈性性能計(jì)算結(jié)果的影響。三種結(jié)構(gòu)的體模量分別為229GPa、61GPa和45GPa，前鈣鈦礦相中的結(jié)構(gòu)空隙是體模量下降的重要原因。前鈣鈦礦相PbTiO3沿[001]、[100]和[110]方向的楊氏模量計(jì)算值分別為193GPa、66GPa和84GPa