基于第一性原理的位错运动特性的分子模拟研究

论文摘要

通过外延生长得到的SiGe异质结构薄膜在高性能Si基器件上有着广泛的应用前景。近年来,随着低温Si缓冲层技术的提出,获得高质量、低位错密度的SiGe薄膜成为可能。对硅的位错形式和运动特性的研究对于进一步提高此类半导体器件的性能提供了理论上的帮助。晶体的位错对于材料力学性能、电学性能和光学性能等性质有很大的影响,关于此方面的研究一直存在广泛的争议,尤其在金刚石类型的晶体中,大部分仍处于未知阶段。本文主要是基于第一性原理的计算方法,对Si的各种空位和位错的形式,进行了计算与分析。首先采用分子动力学模型,及共轭梯度,并在广义梯度近似下,用密度泛函的第一性原理计算方法,计算了硅单晶的晶格常数、空位能量和单空位周围离子弛豫等。计算结果表明,在第一性原理计算方法中,赝势的选用和基函数的确定对计算结果起很大影响,不同的基函数对应不同的硅单晶的晶格常数。在硅半导体退火过程中,一部分单空位可从硅单晶表面逸出,同时,一部分单空位可以形成双空位。并且在双空位附近的价电子结构不同于单空位的情况。推之,多个单空位可以形成一个空位团。单空位周围的硅离子会发生弛豫,使对称性下降。然后利用相同的计算模型,分别计算了硅的滑移面和拖动面上的各种位错的形成能。首先选择在第一性原理下进行分子动力学模拟的模型,讨论后选用团簇模型和超晶胞结合的模型。然后在模型下,分别构建了硅的滑移面与拖动面的30度,60度,90度位错芯。之后用第一性原理计算方法分别计算了各种位错芯的总能量与形成能。计算结果表明,滑移面上的60度位错,倾向于分解为滑移面上的30度部分位错和90度部分位错,拖动面上的60度位错,倾向于分解为滑移面上的30度部分位错和拖动面上的90度部分位错,其中,位错的分解都伴随着堆垛层错面的形成。在滑移面上的30度和90度的部分位错结构比较稳定,不易分解,而在拖动面上,60度位错成为主要的失配位错形式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外位错动力学数值模拟研究现状及分析
• 1.3 分子动力学模拟及第一性原理简介
• 1.4 硅材料体系中的位错简介
• 1.4.1 滑动面内的全位错
• 1.4.2 拖动面内的60 度全位错
• 1.4.3 滑动面内的30 度肖克莱位错
• 1.4.4 滑动面内90 度肖克莱位错
• 1.4.5 拖动面内的肖克莱位错
• 1.5 本文的研究内容及主要工作
• 第2章 第一性原理方法的介绍
• 2.1 前言
• 2.2 第一性原理计算方法
• 2.2.1 Born-Oppenheimer绝热近似
• 2.2.2 密度泛函理论
• 2.2.3 电子结构计算的一般过程
• 2.3 本章小结
• 第3章 硅材料空位模型的建立与模拟
• 3.1 前言
• 3.2 模型构建及模拟过程
• 3.2.1 周期性边界条件
• 3.2.2 Si单晶模型的建立与模拟过程
• 3.2.3 赝原子轨道基与Si原子晶格常数对模型能量的影响
• 3.2.4 用第一性原理计算Si的空位缺陷
• 3.2.5 硅单空位周围硅离子的弛豫
• 3.3 本章小结
• 第4章 Si晶体中位错模型的建立与模拟
• 4.1 前言
• 4.2 位错模型的边界条件
• 4.3 理论研究方法
• 4.3.1 弹性应变能量
• 4.3.2 位错芯能量计算
• 4.4 Si晶体中的位错芯模型建立
• 4.4.1 拖动面内的60 度位错的位错芯模型建立
• 4.4.2 滑移面的60 度位错的位错芯模型建立
• 4.4.3 滑移面的30 度位错的位错芯模型建立
• 4.4.4 滑移面的90 度位错的位错芯模型建立
• 4.4.5 拖动面内的30 度位错和90 度位错的位错芯模型建立
• 4.5 Si晶体中位错芯模型的第一性原理计算
• 4.5.1 第一性原理计算中模拟参数的设定
• 4.5.2 计算结果
• 4.6 位错芯形成能的计算和分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢