硅及多孔硅表面Si-OH、SiO-,2-結(jié)構(gòu)的理論研究.pdf

1、Si-OH、SiO2存在于硅及硅復(fù)合材料的表面，對(duì)硅及其復(fù)合材料的性能具有很大的影響。例如Si-OH存在于多孔硅的表面，對(duì)多孔硅的發(fā)光性能、多孔硅表面吸附爆炸等具有重要的意義；在硅器件中，硅片表面被氧化形成SiO2影響硅片表面薄膜的沉積，進(jìn)而影響器件的性能。由于物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)決定了其各種物理化學(xué)性質(zhì)，因此對(duì)硅及硅復(fù)合材料的表面組織形貌、微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和表面成鍵等情況的研究，對(duì)于進(jìn)一步研究硅及其復(fù)合材料的表面化學(xué)態(tài)、表面物理化學(xué)吸附具

2、有重要的理論意義，并且對(duì)硅器件生產(chǎn)工藝的改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。 由于微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)上的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)直接觀察硅及其復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)受到一定的限制，而計(jì)算機(jī)模擬可以對(duì)一些通過實(shí)驗(yàn)無法直接觀測(cè)的量進(jìn)行計(jì)算，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)研究的不足。因此，采用理論計(jì)算研究硅及其復(fù)合材料的表面結(jié)構(gòu)是一種十分重要的方法。本論文采用CASTEP第一性原理計(jì)算程序，對(duì)硅和多孔硅表面的Si-OH和SiO2結(jié)構(gòu)展開了較為詳細(xì)的研究。首先對(duì)硅片表面的Si-OH和SiO

3、2結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，交換關(guān)聯(lián)能函數(shù)分別采用局域密度近似(LDA)和廣義梯度近似(GGA)描述，從體系總能和表面結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行分析比較，得出第一原理廣義梯度近似(GGA)方法更適合硅材料表面結(jié)構(gòu)的研究。在以上研究的基礎(chǔ)上，接著采用基于密度泛函理論廣義梯度近似(GGA)的平面波超軟贗勢(shì)方法，對(duì)多孔硅表面的Si-OH結(jié)構(gòu)和Si/SiO2界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，通過分析優(yōu)化后穩(wěn)定的表面結(jié)構(gòu)，得到以下結(jié)論：多孔硅的表面為完全不規(guī)則結(jié)構(gòu)，表面Si-O

4、H結(jié)構(gòu)中的Si-O鍵長值分別介于0.161-0.163nm之間和0.168-0.170nm之間，O-H鍵長值分別為0.097nm和0.098-0.100nm，角∠Si-O-H的值主要分布在109.0°-116.3°之間，角∠O-Si-O的值主要分布在96.2°-98.5°之間，Si-O鍵之間表現(xiàn)出共價(jià)鍵特性，O-H鍵之間表現(xiàn)出離子鍵特性；對(duì)于Si/SiO2，其界面結(jié)構(gòu)呈無序狀，存在Si-O-Si和Si=O結(jié)構(gòu)，Si/SiO2界面結(jié)構(gòu)中的