材料科學計算模擬
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1.第一性原理的計算與應用

第一性原理的計算材料發展應用價值

基于第一性原理的材料計算已廣泛應用于凝聚態物理、量子化學、納米元器件等方面研究以及材料性能提升的微觀機制改進途徑等。通過計算機建立模型、仿真計算,研究人員可針對具體的實驗或是應用做預測性的模擬分析,過濾掉成功幾率較小的設計,由此可降低原材料及能源消耗,避免不必要等經費支出,提高項目運行的可靠性及社會經濟效益。下圖就是針對SiC的相關性質進行的研究,最終會輸出相應的本征值,波函數及總能(左圖為SiC分子結構圖,右圖為計算所得到的SiC的能帶圖)。

一、半導體材料性能改進——應變硅

隨著半導體集成電路工藝的發展,芯片集成度越來越高,器件越來越小,目前已達到幾十納米的量級。芯片的小型化使目前的工藝程度面臨著新的問題:散熱和量子 隧道效應的處理。一個新的思路就是尋找新的電子元器件材料。對于在業界多年的老牌公司如INTEL等完全拋棄硅處理工藝從商業運作上是不可想象的,因為它意味做放棄它長期以來的工藝技術及其它一系列相關商業優勢。另外,多年來學術和科研屆對硅研究的投入使得我們有成熟的工藝處理能力。因此,基于硅材料的技術仍有很實在的發展前景。而應變硅(Strained Silicon)卻有許多工藝和性能上的長處:在應變硅中,電子的移動速度會快70%左右,芯片的速度會提高35%左右。在Intel的90nm工藝中,應變硅已得到實際的應用。

二、電子器件的改進——MOSFET的柵極介電材料:Sio2,Zro2,Hfo2

隨著集成電路集成度的提高,在MOSFET器件中,柵極和襯底之間的絕緣層越來越薄,量子效應引起的隧道電流增強,導致場效應管的漏極電流增大,器件的溫度也隨之升高,帶來了系統的不穩定。高功率的制冷設備可以在一定程度上緩解這些問題,但會帶來很大的噪音。工藝上一個努力的方向便在于選用高介電常數的絕緣材料。

三、磁性及其對晶相穩定性的影響——鐵的最穩定晶相

地殼中鐵元素的含量很高,在元素周期表中,鐵是少有的幾種磁性元素之一。自然界中鐵最穩定的結構為體心立方(BCC)。第一性原理計算研究表明,假設鐵以不帶磁性的結構存在,它的最穩定結構將以六角密排結構(HCP) 形式存在。考慮磁性后,BCC結構確實是最穩定的。

四、用大型計算來研究納米結構的形成:

近年來的材料學研究中,碳納米管是一個重大的發現。在實驗室里,碳納米管直徑可以細到0.6-1.8納米,在處理較好的工藝上,直徑在50納米左右。由于導熱性能好,碳納米管可承受的電流密度可高達109A/cm2,而現在大量使用的銅線在電流密度達到106A/cm2就熔化了;就力學性質而言,碳納米管可承受45x109帕斯卡的強度,而各種鐵合金只能承受2x109帕斯卡的強度;碳納米管的彈性也非常好,它可以對折然后拉直而沒有什么損壞,而對于常用的金屬而言,對折然后拉直會引起斷裂。碳納米管的導電特性等跟它的結構很有關系,但目前碳納米管的生長工藝還很不成熟,使得碳納米管的價格比金還貴幾百倍。

五、新材料電學性質——碳納米管:

我們知道材料與器件的很多性質跟它們的微觀結構有關系。近年來人們在微、納米結構上的研究對于我們發現新材料與設計新器件有很大的影響。由于研究的對象尺 寸很小,實驗操作與生產控制的器械設備要求比較高,成本也很昂貴。大規模計算在這方面的研究有不可替代的作用。模擬納米結構的形成通常要分幾步走:

(1)用第一性原理計算納米結構的一些重要組分與過程的波函數、勢能面,包括計算擴散勢壘。

(2)建立經驗模型考慮一些更大的結構與過程。早期的一些方法包括原子鑲嵌法等。

(3)用非平衡MonteCarlo等方法模擬材料生長、處理過程。

六、用大型計算來開發新型節能發光器件——量子阱發光二極管:

近年來,節能材料方面有許多新的發展,其中就包括基于InGaN/AllnGaN量子阱結構發白光的LED的設計,氮化鎵(GaN)發光二極管相對于白熾燈或是熒光燈等具有壽命長、尺寸小、耗能低、全固態等特點。白光是由不同強度波長的光源組合而成,通常的白光LED燈是由黃色波長轉換材料和GaN藍色的LED組合而成:從LED發出的藍光部分被吸收轉換成黃光后再與未被吸收的藍光組合成白光發射出來。由于這種設計增加了生長和轉換環節,降低了效率,因此,工業上對直接集成紅、藍、綠LED技術很感興趣。對于由InGaN/GaN量子阱制成的LED而言,這種技術目前的主要問題在于紅光的發射強度不夠,而究其原因在于壓電和自發極化誘導的內建電場將空穴和電子波函數分開。利用第一行原理則可以分析勢壘的組分對內建電場和發光效率的關系。

2.物性分析

一、核磁共振(NMR)譜:——計算有機硅氧烷中的29Si NMR 化學位移

隨著半導體集成電路工藝的發展,芯片集成度越來越高,器件越來越小,目前已達到幾十納米的量級。芯片的小型化使目前的工藝程度面臨著新的問題:散熱和量子 隧道效應的處理。一個新的思路就是尋找新的電子元器件材料。對于在業界多年的老牌公司如INTEL等完全拋棄硅處理工藝從商業運作上是不可想象的,因為它意味做放棄它長期以來的工藝技術及其它一系列相關商業優勢。另外,多年來學術和科研屆對硅研究的投入使得我們有成熟的工藝處理能力。因此,基于硅材料的技術仍有很實在的發展前景。而應變硅(Strained Silicon)卻有許多工藝和性能上的長處:在應變硅中,電子的移動速度會快70%左右,芯片的速度會提高35%左右。在Intel的90nm工藝中,應變硅已得到實際的應用。

二、表面物理、納米材料研究的得力工具——掃描隧道顯微鏡(STM):

掃描隧道顯微鏡從其發明以來便對人們認識與改進材料的性質發揮了巨大的作用。掃描隧道顯微鏡能夠分辨原子結構特征。 但很多時候,到底怎么理解 掃描隧道顯微鏡所記錄的特征卻不是很容易的。而第一性原理計算在這方面可以發揮很大的作用。如同NMR一樣,運用第一性原理,我們可以根據STM的工作原理進行STM圖像的計算和模擬,從而加深對STM理論、半導體材料(特別是硅材料)及金屬的生長機制的理解。上圖為一簡單金屬表面計算的STM探測到的電子密度變化及其傅里葉變換。

三、拉曼光譜:

拉曼譜反映的是光子和材料的相互作用,由分子振動與光作用耦合引起,可以從圖譜中看出材料的精細分子結構。從第一性原理可以計算出對于某一特定的分子,它的拉曼譜應該是怎樣的,從而幫助我們實現對于復雜體系的組份含量鑒定;也可以通過擬合實驗結果得到材料的結構參數。

四、X光譜:

X光譜主要基于緊束縛的核電子(core electrons)用來確定晶體幾何結構。近年來人們開始利用X光技術來分析一些非晶體材料的結構與性質。這使得價電子的性質研究變得很重要,但在怎樣解釋圖譜上,傳統的分析方法遇到很大的困難。基于第一性原理的理論計算對于X光吸收精細結構光譜的發展有很大的影響。同時,由于X光吸收精細結構光譜的分辨率很高,對于第一性原理的理論計算原理與發展也提供了很大的幫助。



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