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类金刚石薄膜的分子动力学和第一性原理研究

张林州  
【摘要】:类金刚石薄膜是亚稳非晶态材料,含有一定量的sp~3杂化原子,其性质介于金刚石和石墨之间,在很大范围内可调,折射率1.8~2.5,光学带隙0.8eV~4.1eV,电阻率变化范围可达10个数量级,硬度上限可达95GPa,其摩擦系数小于0.20,比一般硬质材料(摩擦系数一般在0.35~0.7之间)小很多。因此类金刚石薄膜在科学研究和应用领域都是热点。 本文采用经典分子动力学方法和第一性原理方法,考虑电子自旋对结构的影响,建立了5个非晶碳结构模型,密度分别为2.0g/cm~3,2.3g/cm~3,2.6g/cm~3,2.9g/cm~3,3.2g/cm~3。研究了淬火时间对密度为2.9g/cm~3模型结构的影响。 通过径向分布函数的对比,表明模拟的非晶碳结构与相关实验数据吻合一致。对每个结构的键长键角分布以及配位情况进行分析,阐明了结构中出现的三原子环、四原子环和多原子环对整体结构的影响。非sp~3键含量与密度呈线性关系,与相关实验结果吻合;研究内应力与sp~3含量的关系,发现内应力与sp~3含量是非线性关系;利用均方差位移(MSD)研究了不同淬火时间下的碳原子扩散情况,结果表明淬火时间越短sp~3含量越高。同时,研究了非晶碳材料的总电子态密度,sp~2杂化原子和sp~3杂化原子的分电子态密度,以及三原子环、四原子环和多原子环的局域电子态密度。由于考虑了电子自旋对结构的影响,非晶碳网络结构中出现了缺陷结构;通过分析可知,缺陷结构主要以sp~3悬挂键的方式存在于高密度非晶碳结构中,且高密度非晶碳结构中费米能级附近的电子态密度主要由缺陷态电子密度贡献。 在类金刚石薄膜的制备方面,我们对本实验室现有的镀膜设备进行了一系列设计改造;经过改造后的真空镀膜机可以进行磁控溅射沉积、化学气相沉积和电场辅助化学气相沉积。


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