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納米復合薄膜具有良好的力學、光學、電學等性能。研究者認為TiN與Si3N4兩相分離,且界面相SiN包裹納米晶TiN是導致超硬的主要原因。為了明確Ti-Si-N納米復合薄膜的超硬機理,首先應該明確Ti-Si-N復合薄膜界面結構的形成過程及條件。而準確分析界面結構的形成過程,則有必要深入了解TiN相與SiN相分離的細節(jié),并計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,模擬仿真界面結構SiNx的形成過程與所需條件,探討了N、Ti粒子沉積比例的增加對界面形成過程的作用,以及TiN(001)表面上2D島的生長形狀。首先,計算在TiN(001)表面上各島構型的總能量和吸附能、各構型演變過程中粒子的遷移路徑與所需激活能的大小。其次,分析界面形成過程的難易程度,以及Ti、N粒子對界面形成過程中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島周邊的動力學行為,以及TiN(001)表面上2D島構型生長的主要方式。得到以下主要結論:
　　一、七種島構型演變都可以導致TiN相與SiN相分離形成界面結構,其中4N4Ti1Si島構型演變所需的激活能最低(1.21eV),是形成界面相對容易的方式。SiN在TiN島邊界上的島構型是低能量穩(wěn)定結構,其原因是Ti-N的鍵合強度比Si-N的鍵合強度大。
　　二、N粒子比例

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