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.

通过堆叠几纳米厚的薄膜制成的多层薄膜已经被创造出来，并有望应用于器件材料，因此有必要评估其机械性能，本研究的目的是阐明纳米的结构和机械性能。 -使用第一原理分子动力学方法的多层薄膜 Akira。为了弄清楚这个问题，我们利用基于平面波基保模赝势方法的第一性原理分子动力学计算模拟了铝原子（金属材料）在硅基板（半导体材料）上的沉积过程，并观察了其形成过程。铝原子层到达表面的过程。同时，我们通过第一性原理拉伸模拟测定了铝原子在基材上的粘附强度。有人指出，界面约束会导致局部高应变状态，材料在高应变条件下的功能变化很重要。因此，我们研究了剪切应变下硅的理想强度与电性能之间的关系。通过第一性原理模拟，确定了理想的剪切强度，并研究了其与原子间键合状态变化的关系。还表明，带隙在相对较小的应变下消失。此外，为了明确纳米级至原子级微观结构材料的断裂行为和断裂起始条件，我们提出了一种评估原子结构变形不稳定性的方法。利用该方法，分析了纳米级至原子级微观结构材料的理想强度。通过对铝纳米薄膜的研究，我们发现薄膜的理想强度随着膜厚的减小而单调下降，并且当膜厚小于10 nm时，强度显着下降。