硅系薄膜和新結(jié)構(gòu)鈦酸鉛的生長、結(jié)構(gòu)與性能的計算和模擬研究.pdf

1、本文針對微觀尺度上的材料研究工作，介紹了該領(lǐng)域所涉及的計算機模擬技術(shù)的分類、發(fā)展以及應(yīng)用狀況。重點綜述了分子動力學方法(Molecular DynamicsMethod)、蒙特卡羅方法(Monte Carlo Method)和第一性原理方法(First-principlesMethod)的基本原理、數(shù)學技巧、應(yīng)用領(lǐng)域以及利用這些技術(shù)所取得的成果。使用相應(yīng)的計算模擬方法研究了硅系薄膜和前鈣鈦礦相鈦酸鉛生長、結(jié)構(gòu)與性能等問題。
　　

2、 使用分子動力學方法模擬研究了熱分解化學氣相沉積條件下玻璃襯底上的硅原子沉積以及不同沉積溫度(500K-1000K)硅系薄膜生長過程。模擬結(jié)果表明過高或過低的沉積溫度都不利于致密薄膜的生長，沉積溫度升高將導致襯底中堿金屬離子擴散增強。不同沉積溫度下都觀察到薄膜與襯底之間存在一個密度相對較小的分隔層，認為堿金屬離子擴散造成的靜電力是產(chǎn)生分隔層的重要原因，并提出摻雜電負性雜質(zhì)以改善薄膜與襯底間的結(jié)合狀態(tài)。隨后Si-C-O薄膜生長的模擬研究結(jié)

3、果支持這一觀點，但是薄膜整體結(jié)構(gòu)變得松散，O含量過高會形成Si-O長鏈從而降低Si-C-O薄膜均勻性。
　　 對使用透射、反射光譜測量陽光控制鍍膜玻璃光學參數(shù)的工程問題進行數(shù)學建模，并利用一種混合算法(模擬退火法與迭代算法結(jié)合)進行求解。為提高模型的準確性，分別引入考慮薄膜表而影響的粗糙度修正&更符合硅系薄膜能帶特點的修正Froouhi-Bloomer(FB)模型來描述折射率、消光系數(shù)與光波長的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)使用修正FB模型獲得的薄

4、膜光學參數(shù)結(jié)果比使用粗糙度修正更符合實際狀況，數(shù)學求解過程也更加穩(wěn)定。這是一種實用有效的通過透射、反射光譜計算薄膜光學參數(shù)的方法，也便于實現(xiàn)陽光控制鍍膜玻璃參數(shù)的在線測試。
　　 基于單顆粒介質(zhì)球散射的Maxwell方程組的解，給出了一種蒙特卡羅方法用于求解硅系薄膜中硅晶粒散射問題，利用光線追蹤思想處理光子的傳播過程。模擬結(jié)果表明硅系薄膜中鑲嵌硅晶粒的散射強度隨粒徑增加而增大，隨入射光波長增加而呈指數(shù)形式減小。粒徑小于20nm的

5、顆粒散射可以忽略，而大顆粒在短波長范圍內(nèi)的散射會對薄膜的反射產(chǎn)生影響。通過調(diào)制硅薄膜內(nèi)硅晶粒的尺度和密度，能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)整薄膜的鏡面反射，從而有可能減輕硅系薄膜鍍膜玻璃的“光污染”。
　　 針對低輻射鍍膜玻璃雙層膜結(jié)構(gòu)(阻擋層和功能層)的膜系特點建立數(shù)學模型，并使用將模擬退火法與牛頓迭代法相結(jié)合的混合算法來求解?；旌戏椒ㄊ紫扔脕斫鉀Q雙層膜結(jié)構(gòu)薄膜光學參數(shù)轉(zhuǎn)化為單層膜結(jié)構(gòu)等效光學參數(shù)的問題，然后求解了消除低輻射鍍膜玻璃反射色的

6、工程問題。獲得的結(jié)果已用于指導實際生產(chǎn)，具有明顯的實用價值，并據(jù)此給出了進一步降低反射色飽和度的指導建議。
　　 根據(jù)XRD譜線和能量最低原理確定了一種在PbTiO3單晶納米線中發(fā)現(xiàn)的新結(jié)構(gòu)(命名為前鈣鈦礦相，Pre-perovskite)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和晶胞填充。前鈣鈦礦PbTiO3具有TiO6八面體共邊連接形成柱狀的結(jié)構(gòu)特征，而且在室溫下穩(wěn)定。應(yīng)用第一性原理方法計算立方相、四方相和前鈣鈦礦相PbTiO3、BaTiO3的能帶結(jié)構(gòu)和

7、電子密度分布，分析了不同結(jié)構(gòu)中的鍵合特征。計算表明前鈣鈦礦相PbTiO3、BaTiO3構(gòu)成共價鍵的束狀三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)不僅提供了結(jié)構(gòu)的剛性框架，而且通過降低離子的有效電荷削弱了共邊引起的靜電斥力，是前鈣鈦礦相PbTiO3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要起源之一。立方相、四方相中均未能發(fā)現(xiàn)Pb(Ba)原子參與的共價鍵三維網(wǎng)絡(luò)。Ba-O之間形成共價鍵的勢壘遠大于Pb-O，預測室溫穩(wěn)定的前鈣鈦礦相BaTiO3幾乎不可能存在。
　　 為分析前鈣鈦礦

8、相PbTiO3納米線特異的彎曲現(xiàn)象，應(yīng)用第一性原理方法計算了立方相、四方相和前鈣鈦礦相PbTiO3的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)、彈性系數(shù)和體模量。并就四方相PbTiO3比較了k-point網(wǎng)格和截斷能量對彈性性能計算結(jié)果的影響。三種結(jié)構(gòu)的體模量分別為229GPa、61GPa和45GPa，前鈣鈦礦相中的結(jié)構(gòu)空隙是體模量下降的重要原因。前鈣鈦礦相PbTiO3沿[001]、[100]和[110]方向的楊氏模量計算值分別為193GPa、66GPa和84GPa