论文摘要
本课题是国家自然科学基金项目（50845065）、内蒙古教育科研基金项目（NJ06077）和内蒙古自然科学基金项目（2010Zd02）的一部分。这些项目是要研究比Ti-Si-N纳米复合表面更强、更硬、更韧的表面，即探查力学性能更好的晶粒相和稳定性更好的界面相。我们研究发现TaN是比TiN力学性能更好的晶粒相，Si-N-Ta是比Si-N-Ti更稳定的界面相。由此，Ta-Si-N可能会形成强度和韧性均优于Ti-Si-N的纳米复合表面。又由于Ta-Si-N纳米复合结构的形成与粒子的迁移行为有着密切的关系，因而，我们需要研究Ta-Si-N纳米复合表面薄膜的生长。本论文的焦点集中于采用第一性原理的方法研究Ta、Si、N粒子在TaN（001）表面和绕岛的迁移行为。通过查阅相关文献发现，运用该方法研究Ta、Si、N粒子迁移行为具有一定的新颖性。本文中采用第一性原理的方法计算了晶体Ta、Si及N2分子的晶格常数、键长、单原子能量和结合能；并计算了几种迁移方式的总能、吸附能和相应的势能面，迁移路径和激活能。这几种迁移方式包括：单粒子在表面的迁移，双粒子在表面的迁移和单粒子Ta绕岛的迁移。细致分析迁移方式和迁移激活能，可以得出以下结论：（1）单粒子Ta、Si、N在TaN（001）表面和绕岛的迁移比Ti、Si、N在TiN（001）表面和绕岛的迁移更困难。（2）双粒子Si-N比Ta-N在TaN（001）表面迁移更容易；Ta-N在TaN（001）表面比Ti-N在TiN（001）表面的迁移更困难；Si-N在TaN（001）表面比在TiN（001）表面的更容易迁移。说明Si促进了Ta-Si-N纳米复合薄膜的形成，而且Si对Ta-Si-N纳米复合薄膜形成的促进作用比Si对Ti-Si-N纳米复合薄膜形成的促进作用更大。（3）键长和键能对纳米结构的形成也非常重要。N-N比Ta-N的键能更强，Ta-Ta键能较弱，导致了Ta和N的迁移更困难；Si-N和Si-Ta的键能比N-N、Ta-N和Ta-Ta的弱，使得Si和Si-N在薄膜成形过程中促进TaN的迁移，使得迁移更容易。