第一原理分子動力学法によるナノ多層薄膜の機械的特性の評価

利用第一性原理分子动力学方法评价纳米多层薄膜的力学性能

基本信息

批准号：
13750077
负责人：
梅野宜崇
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

厚さ数nmの薄膜を積み重ねた多層薄膜が作成されており,デバイス材料への応用が期待されているため,その機械的特性の評価が求められている.量子力学に基づく厳密な解析手法である第一原理分子動力学法を用いて,ナノ多層薄膜の構造および機械的特性を明らかにすることが本研究の目的である.まず,薄膜における原子構造および原子間結合状態の基本的特性を明らかにするため,平面波基底ノルム保存擬ポテンシャル法による第一原理分子動力学計算を用いて,シリコン基板(半導体材料)上へのアルミニウム原子(金属材料)の堆積プロセスシミュレーションを行い,第3層目までのアルミ原子層の形成過程を観察した.また,第一原理引張りシミュレーションにより,基板上のアルミニウム原子の付着強度を求めた.ナノ薄膜では界面の拘束により局所的に高ひずみ状態となることが指摘されており,高ひずみ条件下での材料の機能変化が重要である.そこで,剪断ひずみを受けるシリコンの理想強度と電気的特性の関連を第一原理シミュレーションによって調べた.剪断理想強度を求め,原子間結合状態の変化との関連について検討した.また,バンドギャップは比較的小さいひずみで消滅することを明らかにした.さらに,ナノスケール〜原子スケールの微細構造を持つ材料の破壊挙動・破壊開始条件を明らかにするため,原子構造体の変形に対する不安定性を評価する手法を提案した.この手法を用いてアルミニウムナノ薄膜の理想強度解析を行った結果,薄膜の理想強度は膜厚の減少に伴って単調に減少し,膜厚10nm以下で強度低下が著しいことを明らかにした.

已经创建了具有几个NM厚的多层薄膜，并有望应用于设备材料，并且需要其机械性能。这项研究的目的是使用第一原理分子动力学方法来阐明纳米型薄膜的结构和机械性能，这是一种基于量子力学的严格分析方法。首先，为了阐明薄膜中原子结构和原子间键的基本特性，我们使用First-principles分子动力学对硅基板（半导体材料）对铝原子（金属材料）在硅原子（金属材料）上进行模拟进行了模拟，并使用平面波波基础定量基础定量计算的方法在上面构成了第三层的方法。此外，使用第一原理拉伸模拟来确定铝原子在底物上的粘附强度。在纳米薄膜中，已经指出，界面约束会导致局部高应变，并且在高应变条件下材料的功能变化很重要。因此，通过第一原理模拟研究了经受剪切应变的硅的理想强度与硅的电性能之间的关系。我们确定了理想的剪切强度以及原子间键状态的变化之间的关系。我们还透露，带隙在相对较小的应变下消失。此外，为了阐明用纳米级至原子尺度的微观结构启动材料裂缝的断裂行为和条件，我们提出了一种评估原子结构变形的不稳定性的方法。使用这种方法，我们对铝纳米薄膜进行了理想的强度分析，发现薄膜的理想强度随着膜厚度的降低而单调降低，并且在10 nm以下的膜厚度下强度下降明显降低。