Nghiên cứu mô phỏng động ực phân tử các cấu trúc và các vật liệu nano bán dẫn thấp chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU VI CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA CÁC VẬT LIỆU PHỦ NGOÀI LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU VI CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA CÁC VẬT LIỆU PHỦ NGOÀI Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 62520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ VĂN VINH PGS.TSKH PHẠM KHẮC HÙNG HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tơi Tất số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực, chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Trang LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Lê Văn Vinh PGS TSKH Phạm Khắc Hùng, người Thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tạo điều kiện làm việc Bộ môn Vật lý tin học, Viện Vật lý kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dành cho tơi suốt q trình nghiên cứu, thực luận án Cuối cùng, xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, người thân, đồng nghiệp dành tình cảm, động viên giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn để hồn thành luận án Hà Nội, ngày 09 tháng năm 2016 Nguyễn Thị Trang MỤC LỤC Danh mục từ viết tắt ký hiệu Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1.Vật liệu phủ cứng siêu cứng 12 1.1.1 Vật liệu phủ nanocomposite 13 1.1.2 Vật liệu phủ đa lớp đồng cấu trúc dị cấu trúc 15 1.1.3 Một số chế tăng cường độ cứng lớp phủ đa lớp 16 1.2 Vật liệu Si3N4, AlSiN CrN/AlBN/CrN 21 1.2.1 Hệ Si3N4 .21 1.2.2 Hệ AlSiN 23 1.2.3 Hệ CrN/AlBN/CrN .25 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU PHỦ NGOÀI 2.1 Phương pháp ĐLHPT phương pháp HPT .27 2.1.1 Phương pháp ĐLHPT 27 2.1.2 Phương pháp HPT 31 2.2 Các phương pháp phân tích vi cấu trúc mơ hình 31 2.2.1 Hàm phân bố xuyên tâm .31 2.2.2 Số phối trí độ dài liên kết 33 2.2.3 Phân bố góc liên kết 33 2.2.4 Phân bố cầu lỗ hổng .34 2.2.5 Phân bố simplex 36 2.2.6 Phương pháp phân tích lân cận chung (CNA) 37 2.3 Phương pháp mô biến dạng 38 2.3.1 Mô-đun đàn hồi 38 2.3.2 Biến dạng theo trục 39 2.4 Phương pháp chế tạo vật liệu phủ ngồi hồ quang chân khơng plasma .41 2.4.1 Sự hình thành plasma hồ quang catốt 41 2.4.2 Các thành phần hồ quang chân không catốt 42 2.4.3 Q trình lắng đọng vật liệu phủ ngồi 44 2.5 Một số phương pháp phân tích vật liệu phủ ngồi 44 2.5.1 Nhiễu xạ tia X 44 2.5.2 Kính hiển vi điện tử quét kính hiển vi quang học 45 2.5.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua 46 2.5.4 Kỹ thuật phân tích vi mơ thiết bị qt đầu dị điện tử 46 2.5.5 Phổ quang điện tử tia X 46 2.5.6 Thí nghiệm đo độ cứng 47 2.5.7 Thí nghiệm đo ứng suất .48 2.5.8 Thí nghiệm đo độ mịn 48 CHƯƠNG VẬT LIỆU PHỦ NGOÀI CrN/AlSiN VÀ CrN/AlBN 3.1 Vật liệu phủ CrN/AlSiN 50 3.1.1 Chế tạo vật liệu phủ CrN/AlSiN .50 3.1.2 Cấu trúc tính vật liệu phủ ngồi CrN/AlSiN 51 3.2 Vật liệu phủ CrN/AlBN 56 3.2.1 Chế tạo vật liệu phủ CrN/AlBN .56 3.2.2 Cấu trúc tính vật liệu phủ CrN/AlBN 56 CHƯƠNG HỆ AlSiN, CrN/AlBN/CrN VÀ Si3N4 VƠ ĐỊNH HÌNH 4.1 Hệ AlSiN 67 4.1.1 Ảnh hưởng nồng độ Si lên cấu trúc vi mô tính hệ Al1-xSixN 67 4.1.2 Ảnh hưởng trình nguội nhanh lên cấu trúc tính hệ Al1-xSixN 72 4.2 Hệ CrN/AlBN/CrN .84 4.2.1 Xây dựng mẫu CrN/AlBN/CrN 84 4.2.2 Cấu trúc vi mơ AlBN vơ định hình 87 4.2.3 Cơ tính hệ CrN/AlBN/CrN .88 4.3 Hệ Si3N4 vơ định hình 89 4.3.1 Xây dựng mẫu mô Si3N4 89 4.3.2 Cấu trúc vi mô Si3N4 VĐH .90 4.3.3 Tương quan phân bố góc liên kết tỉ phần đơn vị cấu trúc mẫu Si3N4 104 4.3.4 Cơ tính vật liệu Si3N4 VĐH 107 KẾT LUẬN 112 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐLHPT Động lực học phân tử HPT Hồi phục tĩnh VĐH, vđh- Vơ định hình tt- Tinh thể PBXT Phân bố xuyên tâm SPTTB Số phối trí trung bình CNA Phân tích lân cận chung PBGLK Phân bố góc liên kết PBBKLH Phân bố bán kính lỗ hổng LH Lỗ hổng XRD Nhiễu xạ tia X XPS Phổ quang điện tử tia X SEM Kính hiển vi điện tử quét TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua HRTEM Kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao EPMA Phân tích vi mơ thiết bị qt đầu dị điện tử SAED Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng SIMS Khối phổ ion thứ cấp fcc Lập phương tâm mặt h- Lục giác DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1 Thành phần, chu kỳ hai lớp (Λ), tỉ lệ độ dày (l2/Λ), kích thước 52 hạt lớp phủ đa lớp CrN/AlSiN Bảng 3.2 Độ cứng, mô-đun đàn hồi, ứng suất lớp phủ đa lớp 54 CrN/AlSiN Bảng 3.3 Thành phần, kích thước hạt, độ cứng, mơ-đun I-âng, ứng suất 58 vật liệu phủ CrAlBN lắng đọng áp suất PN khác nhiệt độ Ts=300 °C Bảng 3.4 Kích thước hạt, mơ-đun I-âng, ứng suất vật liệu phủ ngồi 64 CrAlBN nhiệt độ TS khác áp suất PN=1,33 Pa Bảng 4.1 Các đặc trưng cấu trúc mô-đun đàn hồi Iâng Al1-xSixN 70 VĐH: rα,β - vị trí đỉnh hàm PBXT gα,β(r); Zα,β số phối trí trung bình; Six, Aly - tỉ phần đơn vị cấu trúc SiNx AlNy; E- mô-đun đàn hồi I-âng Bảng 4.2 Các đặc trưng cấu trúc mô-đun đàn hồi Iâng Al1-xSixN 76 300 K: rα,β - vị trí đỉnh hàm PBXT gα,β(r); Zα,β số phối trí trung bình; Six, Aly - tỉ phần đơn vị cấu trúc SiNx AlNy; E- mô-đun đàn hồi I-âng Bảng 4.3 Các đặc trưng cấu trúc mô-đun đàn hồi Iâng Al1-xSixN 81 700 K: rα,β - vị trí đỉnh hàm PBXT gα,β(r); Zα,β số phối trí trung bình; Six, Aly - tỉ phần đơn vị cấu trúc SiNx AlNy; E- mô-đun đàn hồi I-âng Bảng 4.4 Các đặc trưng cấu trúc mô-đun đàn hồi Iâng Al1-xSixN 82 900 K: rα,β - vị trí đỉnh hàm PBXT gα,β(r); Zα,β số phối trí trung bình; Six, Aly - tỉ phần đơn vị cấu trúc SiNx AlNy; E- mô-đun đàn hồi I-âng Bảng 4.5 Các hệ số tương tác nguyên tử Cr, Al, B N 85 Bảng 4.6 Đặc tính học hệ CrN/AlBN/CrN với lớp AlBN có cấu 87 trúc khác nhau: d-kích thước tinh thể h-AlBN; E- mô-đun đàn hồi I-âng Bảng 4.7 Các đặc trưng cấu trúc Si3N4 VĐH có mật độ khác 92 nhau: rα-β - độ dài liên kết nguyên tử α-β; Zα-β- SPT trung bình Bảng 4.8 Các đặc trưng cấu trúc Si3N4 VĐH nhiệt độ 93 khác nhau: rα-β - độ dài liên kết nguyên tử α-β; Zα-β- SPT trung bình Bảng 4.9 Tỉ phần đơn vị cấu trúc SiNx (Six), liên kết NSiy (Ny) 94 đỉnh PBGLK , Si3N4 VĐH có mật độ khác nhau, nhiệt độ 300K Bảng 4.10 Tỉ phần đơn vị cấu trúc SiNx (Six), liên kết NSiy (Ny) 95 đỉnh PBGLK , Si3N4 VĐH nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K, với mật độ ρ= 2,40 g.cm-3 Bảng 4.11 Tỉ phần đơn vị cấu trúc SiNx (Six), liên kết NSiy (Ny) 95 đỉnh PBGLK , Si3N4 VĐH nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K, với mật độ ρ= 2,80 g.cm-3 Bảng 4.12 Tỉ phần đơn vị cấu trúc SiNx (Six), liên kết NSiy (Ny) 95 đỉnh PBGLK , Si3N4 VĐH nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K, với mật độ ρ= 3,10 g.cm-3 Bảng 4.13 Tỉ lệ Vvoid/V mẫu Si3N4 VĐH có mật độ khác 103 nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K Bảng 4.14 Các đặc tính học mẫu Si3N4 VĐH có mật độ khác 108 nhiệt độ 300K: E-Mô-đun đàn hồi I âng; σy - ứng suất chảy; σf - ứng suất chảy dẻo Bảng 4.15 Mô-đun đàn hồi Iâng mẫu Si3N4 VĐH có mật độ khác nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K 110 ... Với vật liệu Si3N4, tính đặc biệt quan tâm vật liệu cấu thành 22 vật liệu phủ ngồi có độ cứng cao chịu mài mịn tốt Cơ tính vật liệu Si3N4 VĐH nghiên cứu thực nghiệm [6,38,83] mô [8,9,94] Kết nghiên. .. hiểu cách rõ ràng, kết nghiên cứu cấu trúc tính vật liệu thực nhiệt độ phòng, thay đổi cấu trúc địa phương Si3N4 VĐH chịu sức căng lớn chưa nghiên cứu Ở nhiệt độ cao chịu tải trọng lớn cấu trúc. .. bị sứt mẻ vỡ tốc độ thấp [109] 1.1.2 Vật liệu phủ đa lớp đồng cấu trúc dị cấu trúc Những nghiên cứu trình lắng đọng vật liệu phủ đa lớp cứng, siêu cứng chế hình thành vi cấu trúc tương ứng chúng