材料科学计算模拟
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1.第一性原理的计算与应用

第一性原理的计算材料发展应用价值

基于第一性原理的材料计算已广泛应用于凝聚态物理、量子化学、纳米元器件等方面研究以及材料性能提升的微观机制改进途径等。通过计算机建立模型、仿真计算,研究人员可针对具体的实验或是应用做预测性的模拟分析,过滤掉成功几率较小的设计,由此可降低原材料及能源消耗,避免不必要等经费支出,提高项目运行的可靠性及社会经济效益。下图就是针对SiC的相关性质进行的研究,最终会输出相应的本征值,波函数及总能(左图为SiC分子结构图,右图为计算所得到的SiC的能带图)。

一、半导体材料性能改进——应变硅

随着半导体集成电路工艺的发展,芯片集成度越来越高,器件越来越小,目前已达到几十纳米的量级。芯片的小型化使目前的工艺程度面临着新的问题:散热和量子 隧道效应的处理。一个新的思路就是寻找新的电子元器件材料。对于在业界多年的老牌公司如INTEL等完全抛弃硅处理工艺从商业运作上是不可想象的,因为它意味做放弃它长期以来的工艺技术及其它一系列相关商业优势。另外,多年来学术和科研届对硅研究的投入使得我们有成熟的工艺处理能力。因此,基于硅材料的技术仍有很实在的发展前景。而应变硅(Strained Silicon)却有许多工艺和性能上的长处:在应变硅中,电子的移动速度会快70%左右,芯片的速度会提高35%左右。在Intel的90nm工艺中,应变硅已得到实际的应用。

二、电子器件的改进——MOSFET的栅极介电材料:Sio2,Zro2,Hfo2

随着集成电路集成度的提高,在MOSFET器件中,栅极和衬底之间的绝缘层越来越薄,量子效应引起的隧道电流增强,导致场效应管的漏极电流增大,器件的温度也随之升高,带来了系统的不稳定。高功率的制冷设备可以在一定程度上缓解这些问题,但会带来很大的噪音。工艺上一个努力的方向便在于选用高介电常数的绝缘材料。

三、磁性及其对晶相稳定性的影响——铁的最稳定晶相

地壳中铁元素的含量很高,在元素周期表中,铁是少有的几种磁性元素之一。自然界中铁最稳定的结构为体心立方(BCC)。第一性原理计算研究表明,假设铁以不带磁性的结构存在,它的最稳定结构将以六角密排结构(HCP) 形式存在。考虑磁性后,BCC结构确实是最稳定的。

四、用大型计算来研究纳米结构的形成:

近年来的材料学研究中,碳纳米管是一个重大的发现。在实验室里,碳纳米管直径可以细到0.6-1.8纳米,在处理较好的工艺上,直径在50纳米左右。由于导热性能好,碳纳米管可承受的电流密度可高达109A/cm2,而现在大量使用的铜线在电流密度达到106A/cm2就熔化了;就力学性质而言,碳纳米管可承受45x109帕斯卡的强度,而各种铁合金只能承受2x109帕斯卡的强度;碳纳米管的弹性也非常好,它可以对折然后拉直而没有什么损坏,而对于常用的金属而言,对折然后拉直会引起断裂。碳纳米管的导电特性等跟它的结构很有关系,但目前碳纳米管的生长工艺还很不成熟,使得碳纳米管的价格比金还贵几百倍。

五、新材料电学性质——碳纳米管:

我们知道材料与器件的很多性质跟它们的微观结构有关系。近年来人们在微、纳米结构上的研究对于我们发现新材料与设计新器件有很大的影响。由于研究的对象尺 寸很小,实验操作与生产控制的器械设备要求比较高,成本也很昂贵。大规模计算在这方面的研究有不可替代的作用。模拟纳米结构的形成通常要分几步走:

(1)用第一性原理计算纳米结构的一些重要组分与过程的波函数、势能面,包括计算扩散势垒。

(2)建立经验模型考虑一些更大的结构与过程。早期的一些方法包括原子镶嵌法等。

(3)用非平衡MonteCarlo等方法模拟材料生长、处理过程。

六、用大型计算来开发新型节能发光器件——量子阱发光二极管:

近年来,节能材料方面有许多新的发展,其中就包括基于InGaN/AllnGaN量子阱结构发白光的LED的设计,氮化镓(GaN)发光二极管相对于白炽灯或是荧光灯等具有寿命长、尺寸小、耗能低、全固态等特点。白光是由不同强度波长的光源组合而成,通常的白光LED灯是由黄色波长转换材料和GaN蓝色的LED组合而成:从LED发出的蓝光部分被吸收转换成黄光后再与未被吸收的蓝光组合成白光发射出来。由于这种设计增加了生长和转换环节,降低了效率,因此,工业上对直接集成红、蓝、绿LED技术很感兴趣。对于由InGaN/GaN量子阱制成的LED而言,这种技术目前的主要问题在于红光的发射强度不够,而究其原因在于压电和自发极化诱导的内建电场将空穴和电子波函数分开。利用第一行原理则可以分析势垒的组分对内建电场和发光效率的关系。

2.物性分析

一、核磁共振(NMR)谱:——计算有机硅氧烷中的29Si NMR 化学位移

随着半导体集成电路工艺的发展,芯片集成度越来越高,器件越来越小,目前已达到几十纳米的量级。芯片的小型化使目前的工艺程度面临着新的问题:散热和量子 隧道效应的处理。一个新的思路就是寻找新的电子元器件材料。对于在业界多年的老牌公司如INTEL等完全抛弃硅处理工艺从商业运作上是不可想象的,因为它意味做放弃它长期以来的工艺技术及其它一系列相关商业优势。另外,多年来学术和科研届对硅研究的投入使得我们有成熟的工艺处理能力。因此,基于硅材料的技术仍有很实在的发展前景。而应变硅(Strained Silicon)却有许多工艺和性能上的长处:在应变硅中,电子的移动速度会快70%左右,芯片的速度会提高35%左右。在Intel的90nm工艺中,应变硅已得到实际的应用。

二、表面物理、纳米材料研究的得力工具——扫描隧道显微镜(STM):

扫描隧道显微镜从其发明以来便对人们认识与改进材料的性质发挥了巨大的作用。扫描隧道显微镜能够分辨原子结构特征。 但很多时候,到底怎么理解 扫描隧道显微镜所记录的特征却不是很容易的。而第一性原理计算在这方面可以发挥很大的作用。如同NMR一样,运用第一性原理,我们可以根据STM的工作原理进行STM图像的计算和模拟,从而加深对STM理论、半导体材料(特别是硅材料)及金属的生长机制的理解。上图为一简单金属表面计算的STM探测到的电子密度变化及其傅里叶变换。

三、拉曼光谱:

拉曼谱反映的是光子和材料的相互作用,由分子振动与光作用耦合引起,可以从图谱中看出材料的精细分子结构。从第一性原理可以计算出对于某一特定的分子,它的拉曼谱应该是怎样的,从而帮助我们实现对于复杂体系的组份含量鉴定;也可以通过拟合实验结果得到材料的结构参数。

四、X光谱:

X光谱主要基于紧束缚的核电子(core electrons)用来确定晶体几何结构。近年来人们开始利用X光技术来分析一些非晶体材料的结构与性质。这使得价电子的性质研究变得很重要,但在怎样解释图谱上,传统的分析方法遇到很大的困难。基于第一性原理的理论计算对于X光吸收精细结构光谱的发展有很大的影响。同时,由于X光吸收精细结构光谱的分辨率很高,对于第一性原理的理论计算原理与发展也提供了很大的帮助。



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