β-Si 3 N 4 （0001）表面本征点缺陷及其异质结的模拟研究
发布时间：2021-08-10 10:10
Si3N4作为结构和功能陶瓷材料在工程实践应用中备受欢迎,因其稳定性好、强度高、热导率高等特性,有望成为下一代功率器件的衬底材料。在服役于各种环境时,本征点缺陷已成为光电器件性能的重要影响因素之一,同时对Si3N4基的异质相界面的微观结构与性质进行探索研究也变得尤为重要。基于此,本论文利用第一性原理计算的方法,从原子尺度研究了不同Si-N原子层中空位(VNt1、VNt2和VSi)和填隙(IN和ISi)缺陷对H钝化β-Si3N4（0001）表面结构的电子特性和光学性质的影响,构建石墨烯/β-Si3N4（0001）异质结并计算电子特性和光学性质,为其进一步的实际应用提供理论和指导。（1）二维β-Si3N4不同层的单原子空位缺陷体系,结构优化后发现随着空位越接近内层,...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Si3N4三种相的晶体结构[4]
硕士学位论文3降低带隙使其发挥更好的利用价值成为研究的趋势，相继发现通过的掺杂、吸附等方式确实起到了较为明显的效果[17-20]。伴随着Si3N4薄膜的问世，在20世纪60年代在硅基集成电路板的钝化领域上进行了应用，引起了人们广泛的关注。太阳能电池作为一种清洁能源的利用方式，逐渐改变着人们的生活。威尔士大学研发的光电转化可达17%的太阳能电池已然成为硅基太阳能电池的一个里程碑[21]，为提升电池转化效率，Si3N4薄膜作为减反射膜和钝化膜被加以运用[22-24]，使光电转化效率明显提升，优于SiO2薄膜[25]。加之光电器件也逐渐走向微型化的方向，因而纳米Si3N4材料的研究也成为焦点，此外，Si3N4陶瓷基板是半导体功率模块的部件，也是电力电子领域中最重要的功率器件之一，在电动汽车、轨道交通上起着关键作用。图1.2Si3N4在多领域的部分应用1.2Si3N4中点缺陷的研究现状同理想晶体相比较而言，实际晶体材料中出现的缺陷是不可避免的。在理论上，缺陷定义为偏离理想晶体周期性或平移对称性的结构形式，尤其是对于晶体中相对独立出现的点缺陷，最基本的以点阵空位、置换原子和填隙原子形式存在，其形成机理和对材料性能的影响都是非常重要的。在实验工作中对于浓度很低的点缺陷是很难识别的，然而存在低浓度缺陷的实验样品会直接影响实验结果的分析，随着计算机性能的不断增强，合理运用理论计算可弥补实验的短板。在大多数晶体材料中，与原子扩散有关的现象都与存在的点缺陷有关，严重影响了电导率和许多其它性能。有关本征缺陷的信息对于理解和设计包含杂质、表面和界面至关重要，因为这些复杂缺陷和本征缺陷之间的相互作用决定了材料的整体性能。
β-Si3N4（0001）表面本征点缺陷及其异质结的模拟研究10近似归纳处理如图2.1所示。图2.1固体能带理论的近似过程2.2.1Hohenberg-Kohn定理根据量子力学基本原理，设定已知体系的哈密顿算符H，其定态薛定谔方程可表示为HΨ=EΨ。如果令体系的基态波函数为Ψ0，则对应体系的基态能量可表示为E0，对于多粒子体系的波函数Ψ与体系内N个粒子的坐标是息息相关的，加之体系内单个粒子有3个自由度，随着体系N的变大，计算量就会变得异常繁重，为了解决这一困难，HohenbergP和KohnW于1964年提出了密度泛函理论[84]。该理论的核心是将电子密度ρ(r)作为试探函数，其总能E为电子密度的泛函E[ρ]。因此，基于非均匀电子气理论，提出如下定理：定理一：不计自旋的全同费米子系统的基态能量是粒子数密度函数ρ(r)唯一泛函。定理二：能量泛函E[ρ]在粒子数不变的条件下，对正确的粒子数密度函数ρ(r)取最小值，且等于基态能量。定理一保证了粒子数密度ρ(r)作为体系基本物理量的合法性，同时，也是密度泛函理论名称由来的依据。该定理表明多粒子体系的基态粒子数密度ρ(r)与其所处的外势场之间是一一对应的关系。确定了体系的粒子数和哈密顿算符，进而确定了体系的所有性质。定理二是密度泛函框架下的变分原理，为处理实际问题提供了捷径。这里所处里的基态是非简并的，将多电子体系的哈密顿量可以表示为：H=T+U+V（2.1）其中T表示电子的动能，U表示多电子系统相互作用势，V表示多电子系统之外的外势。对于基态波函数的积分如下表示：
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮化硅陶瓷粉体的制备研究进展[J]. 徐晨辉,张宁,赵介南,周彬彬,阚洪敏,王晓阳. 粉末冶金工业. 2019(04)
[2]氮化硅减反射膜制备工艺对组织结构及折射率影响的研究[J]. 高越,王宙,付传起,杨梓健,项永矿. 真空科学与技术学报. 2019(06)
[3]石墨烯硅基异质结太阳能电池中Gr/Si3N4/Si光学微腔的优化设计[J]. 李萌,况亚伟. 淮北师范大学学报(自然科学版). 2018(04)
[4]氮化硅轴承套圈沟道的超精研工艺实验研究[J]. 李颂华,秘文博,吴玉厚,孙健. 机械与电子. 2017(02)
[5]高纯氮化硅粉合成研究进展[J]. 郑彧,张伟儒,彭珍珍,王腾飞,李镔,邹景良,张哲. 硅酸盐通报. 2015(S1)
[6]涂层Si3N4陶瓷刀具切削性能研究[J]. 汪家华,伍尚华. 机电工程技术. 2014(08)
[7]A first-principle investigation of the oxygen defects in Si3N4-based charge trapping memories[J]. 罗京,卢金龙,赵宏鹏,代月花,刘琦,杨金,蒋先伟,许会芳. Journal of Semiconductors. 2014(01)
[8]Study of H2O and HOCH2CH2OH Adsorption on the Relaxation Surface of β-Si3N4（0001） by Density Functional Theory[J]. 彭新宇,王学业,王玲,谭援强. 结构化学. 2008(12)
[9]DFT方法研究掺杂氮化硅对SONOS器件保持性能的作用[J]. 房少华,程秀兰,黄晔,顾怀怀. 物理学报. 2007(11)
[10]氮化硅晶须结构的性能研究及其应用现状[J]. 李甫. 佛山陶瓷. 2007(09)
博士论文
[1]纳米氮化硅的光学性能及其线、薄膜力学行为的模拟研究[D]. 卢学峰.西安交通大学 2017
硕士论文
[1]氮化硅和碳化硅及其复合双层减反射膜研究[D]. 陈晖.上海工程技术大学 2012
本文编号：3333868
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Si3N4三种相的晶体结构[4]
硕士学位论文3降低带隙使其发挥更好的利用价值成为研究的趋势，相继发现通过的掺杂、吸附等方式确实起到了较为明显的效果[17-20]。伴随着Si3N4薄膜的问世，在20世纪60年代在硅基集成电路板的钝化领域上进行了应用，引起了人们广泛的关注。太阳能电池作为一种清洁能源的利用方式，逐渐改变着人们的生活。威尔士大学研发的光电转化可达17%的太阳能电池已然成为硅基太阳能电池的一个里程碑[21]，为提升电池转化效率，Si3N4薄膜作为减反射膜和钝化膜被加以运用[22-24]，使光电转化效率明显提升，优于SiO2薄膜[25]。加之光电器件也逐渐走向微型化的方向，因而纳米Si3N4材料的研究也成为焦点，此外，Si3N4陶瓷基板是半导体功率模块的部件，也是电力电子领域中最重要的功率器件之一，在电动汽车、轨道交通上起着关键作用。图1.2Si3N4在多领域的部分应用1.2Si3N4中点缺陷的研究现状同理想晶体相比较而言，实际晶体材料中出现的缺陷是不可避免的。在理论上，缺陷定义为偏离理想晶体周期性或平移对称性的结构形式，尤其是对于晶体中相对独立出现的点缺陷，最基本的以点阵空位、置换原子和填隙原子形式存在，其形成机理和对材料性能的影响都是非常重要的。在实验工作中对于浓度很低的点缺陷是很难识别的，然而存在低浓度缺陷的实验样品会直接影响实验结果的分析，随着计算机性能的不断增强，合理运用理论计算可弥补实验的短板。在大多数晶体材料中，与原子扩散有关的现象都与存在的点缺陷有关，严重影响了电导率和许多其它性能。有关本征缺陷的信息对于理解和设计包含杂质、表面和界面至关重要，因为这些复杂缺陷和本征缺陷之间的相互作用决定了材料的整体性能。
β-Si3N4（0001）表面本征点缺陷及其异质结的模拟研究10近似归纳处理如图2.1所示。图2.1固体能带理论的近似过程2.2.1Hohenberg-Kohn定理根据量子力学基本原理，设定已知体系的哈密顿算符H，其定态薛定谔方程可表示为HΨ=EΨ。如果令体系的基态波函数为Ψ0，则对应体系的基态能量可表示为E0，对于多粒子体系的波函数Ψ与体系内N个粒子的坐标是息息相关的，加之体系内单个粒子有3个自由度，随着体系N的变大，计算量就会变得异常繁重，为了解决这一困难，HohenbergP和KohnW于1964年提出了密度泛函理论[84]。该理论的核心是将电子密度ρ(r)作为试探函数，其总能E为电子密度的泛函E[ρ]。因此，基于非均匀电子气理论，提出如下定理：定理一：不计自旋的全同费米子系统的基态能量是粒子数密度函数ρ(r)唯一泛函。定理二：能量泛函E[ρ]在粒子数不变的条件下，对正确的粒子数密度函数ρ(r)取最小值，且等于基态能量。定理一保证了粒子数密度ρ(r)作为体系基本物理量的合法性，同时，也是密度泛函理论名称由来的依据。该定理表明多粒子体系的基态粒子数密度ρ(r)与其所处的外势场之间是一一对应的关系。确定了体系的粒子数和哈密顿算符，进而确定了体系的所有性质。定理二是密度泛函框架下的变分原理，为处理实际问题提供了捷径。这里所处里的基态是非简并的，将多电子体系的哈密顿量可以表示为：H=T+U+V（2.1）其中T表示电子的动能，U表示多电子系统相互作用势，V表示多电子系统之外的外势。对于基态波函数的积分如下表示：
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮化硅陶瓷粉体的制备研究进展[J]. 徐晨辉,张宁,赵介南,周彬彬,阚洪敏,王晓阳. 粉末冶金工业. 2019(04)
[2]氮化硅减反射膜制备工艺对组织结构及折射率影响的研究[J]. 高越,王宙,付传起,杨梓健,项永矿. 真空科学与技术学报. 2019(06)
[3]石墨烯硅基异质结太阳能电池中Gr/Si3N4/Si光学微腔的优化设计[J]. 李萌,况亚伟. 淮北师范大学学报(自然科学版). 2018(04)
[4]氮化硅轴承套圈沟道的超精研工艺实验研究[J]. 李颂华,秘文博,吴玉厚,孙健. 机械与电子. 2017(02)
[5]高纯氮化硅粉合成研究进展[J]. 郑彧,张伟儒,彭珍珍,王腾飞,李镔,邹景良,张哲. 硅酸盐通报. 2015(S1)
[6]涂层Si3N4陶瓷刀具切削性能研究[J]. 汪家华,伍尚华. 机电工程技术. 2014(08)
[7]A first-principle investigation of the oxygen defects in Si3N4-based charge trapping memories[J]. 罗京,卢金龙,赵宏鹏,代月花,刘琦,杨金,蒋先伟,许会芳. Journal of Semiconductors. 2014(01)
[8]Study of H2O and HOCH2CH2OH Adsorption on the Relaxation Surface of β-Si3N4（0001） by Density Functional Theory[J]. 彭新宇,王学业,王玲,谭援强. 结构化学. 2008(12)
[9]DFT方法研究掺杂氮化硅对SONOS器件保持性能的作用[J]. 房少华,程秀兰,黄晔,顾怀怀. 物理学报. 2007(11)
[10]氮化硅晶须结构的性能研究及其应用现状[J]. 李甫. 佛山陶瓷. 2007(09)
博士论文
[1]纳米氮化硅的光学性能及其线、薄膜力学行为的模拟研究[D]. 卢学峰.西安交通大学 2017
硕士论文
[1]氮化硅和碳化硅及其复合双层减反射膜研究[D]. 陈晖.上海工程技术大学 2012
本文编号：3333868
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