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云计算-金刚石在异质外延生长中成核的第一性原理计算.pdf
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云计算-金刚石在异质外延生长中成核的第一性原理计算.pdf
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万方数据
摘要
I
摘要
由于金刚石有着一系列很好的特质:像很高硬度、极高载流子迁移率、宽
带隙、高击穿电场、抗辐射、耐腐蚀等新奇特性,因而被大量地研究。由于金
刚石能提供如此之多的物理特性,因此被广泛地应用于半导体材料及电子传感
器领域。实验证明,CVD 途径为当前合成并获取大片区域且良好质量单晶金刚
石主要途径。根据所选择基底材料不同,金刚石生长可以被人为地分为两种:
一种是同质外延生长,即使用天然金刚石作为基底材料,然而这种方法花费成
本较大且很难从基底金刚石上移除过度生长出的金刚石;另一种是异质外延生
长,即在非金刚石基底上进行生长,金刚石与基底材料之间有一定的晶格失配,
通过碳源的植入,沉积,被蚀刻等流程获得金刚石。由于成本低,生长速度快,
单晶质量高等,异质外延生长目前被广为使用。为了提高单晶金刚石的质量和
金刚石薄膜的生长速率,很多研究人员在相当长一段时间内研究了其 CVD 生长
过程的各个阶段,但背后的机制仍不清楚。
在我们的研究活动里,我们采用了著名的理论探究途径,即第一性原理计
算方法,研究了碳以及其它几种碳氢基团:-CH,-C
2
H
2
,-CH
2
和-CH
3
分别在 Ir
(100),Pt (100),Au (100), Rh (100)和 Co (100)五种过渡金属表面的吸附,从而
探究金刚石在面心立方金属这类异质基底外延生长过程中的初次成核。结果显
示,碳原子在金属表面聚集的过程中,氢起到了重要的作用:当它们以二聚体
-C
2
H
2
的形式吸附到表面上时,碳原子能够顺利地覆盖满整个金属表面,并且实
现初次成核。同时,我们也解释了在众多的金属基底中,Ir 具有优越性和独特性
的原因:除了与金刚石的晶格常数由很小的失配还有碳碳键长以外,它在五种
金属中是吸附-C
2
H
2
最强最稳定的基底。
本文的研究不仅给出了金刚石成核过程中起关键作用的官能团,还回答了
为什么 Ir(100)是目前用于金刚石生长最好的基底,同时还给出了未来探寻更
好的基底材料的方向。最后,我们在文中所采用的模型将会为金刚石的成核机
制提供一个更好的理解。
关键词
:金刚石,成核,外延生长,吸附,第一原理计算,碳氢官能团,过渡
金属,形成能
万方数据
Abstract
II
Abstract
Diamond has been widely investigated duo to its interesting properties, such as
extreme hardness, high electrical resistivity, high thermal conductivity, high carrier
mobility, wide band gap, the higher break-down field, the radiation hardness and the
chemical inertness. Offering a unique combination of a series of extreme physical
properties, diamond has so many applications in fields of semiconductor material,
electronic devices and sensors. Chemical vapor deposition (CVD) is proved to be the
prominent method to obtain large area and high quality single crystal diamond. The
growth of diamond can be divided into two categories: the homoepitaxial one and the
heteroepitaxial one, depending upon the chosen substrate. To improve the single
crystal quality and the growth rate of the diamond film, the mechanism of the CVD
growth has long been widely studied, but the behind mechanism is not clear.
Based on first-principles calculations within density functional theory, we studied
the adsorptions of carbon and hydrocarbon groups -CH, -C
2
H
2
, -CH
2
and -CH
3
on
five transition metal surfaces: Ir (100), Pt (100), Au (100), Rh (100) and Co (100) to
investigate the initial stages of diamond nucleation in heteroepitaxial growth, such as
growth on fcc metals. It is revealed that H atoms play the key role in C aggregation
on the transition metal surfaces: in the form of -C
2
H
2
, the C atoms can fully cover the
whole surface favorably and realize the initial nucleation of diamond. The Ir (100)
surface is unique: besides the small lattice mismatch with diamond and C-C bond
length, it adsorbs the -C
2
H
2
the most strongly and stable among the five substrates.
The study not only illustrates the most significant growth species in the process of
nucleation, but also answers the question why Ir (100) is by far the best substrate for
diamond growth and shows us the searching direction for even better substrates.
Lastly, the model we proposed here will provide a better understanding for diamond
nucleation.
Keywords: diamond, nucleation, heteroepitaxial growth, adsorption, first-principles
calculations, hydrocarbon groups, transition metal surface, formation energy.
万方数据
目录
III
目录
摘要 ..................................................... I
Abstract ................................................ II
目录 ................................................... III
第一章 绪论 ............................................ 1
第一节 引言 ....................................................... 1
第二节 金刚石生长的发展历史 ....................................... 4
1.1.1 金刚石的制备 ............................................................................................................... 4
1.1.1.1 高温高压法(HTHP) ............................................................................... 4
1.1.1.2 化学气相沉积方法(CVD) ................................................................... 5
1.1.2 金刚石在不同基底上外延生长概述 ............................................................................ 7
1.1.3 金刚石的广泛应用 ....................................................................................................... 9
第三节 本论文的主要内容 .......................................... 11
第二章 理论基础简介 ..................................... 12
第一节 第一性原理计算 ............................................ 12
2.1.1 量子多体问题与近似方法 ........................................................................................ 12
2.1.1.1 薛定谔方程 ............................................................................................... 13
2.1.1.2 Born-Oppenheimer 近似 ....................................................................... 14
2.1.1.3 Hartree-Fock 近似 ................................................................................. 15
2.1.2 密度泛函理论基础 .................................................................................................... 17
2.1.2.1 Thomas-Fermi 模型 ............................................................................... 17
2.1.2.2 Hohenberg-Kohn 定理 ........................................................................... 18
2.1.2.3 Kohn-Sham 方程 ....................................................................................... 19
2.1.3 交换关联泛函 .............................................................................................................. 20
2.1.3.1 局域密度近似 .......................................................................................... 20
2.1.3.2 广义梯度近似 ........................................................................................... 21
万方数据
目录
IV
2.1.4 Kohn-Sham 方程的具体求解 ...................................................................................... 22
第二节 VASP 软件相关介绍 ......................................... 24
第三节 本章小结 .................................................. 28
第三章 金刚石在金属衬底上成核机制理论研究 ............. 29
第一节 引言 .................................................... 29
第二节 计算模型和计算方法 ...................................... 31
3.2.1 模型的建立 .................................................................................................................. 31
3.2.2 参数的选取 ................................................................................................................. 31
3.2.3 物理量的定义 .............................................................................................................. 32
第三节 计算结果与讨论 ............................................ 33
3.3.1 不同含碳官能团的最稳定吸附位 ............................................................................... 33
3.3.2 碳浓度增大时在金属(100)表面的吸附情况 ......................................................... 34
3.3.3 金属 Ir 作为基底的优越性 .......................................................................................... 37
3.3.4 从其它方面对结果分析 ............................................................................................. 38
3.3.4.1 晶格常数 .................................................................................................. 39
3.3.4.2 碳碳键长 .................................................................................................. 39
第四节 本章小结 ................................................. 40
第四章 总结与展望 ....................................... 41
参考文献 ................................................ 42
致谢 .................................................... 47
个人简历 ................................................ 48
万方数据
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