NaCl结构VC薄膜生长过程中原子迁移的第一性原理研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)内蒙古科技大学 作者:孙士阳

  为了解VC 薄膜生长过程,通过第一性原理方法,对C(和V) 原子在VC 晶体表面和晶体内部的迁移情况进行了计算。结果显示,C( 和V) 的单原子在VC 晶体表面格点位置具有最低的系统能量,此时,C 原子的活动性仍较强,其迁移激活能仅为0.08 eV,而V 原子由稳定的格点位置迁移则有较大阻力,激活能为2.48 eV; 在VC 晶体内部,C 和V 原子在(111) 层面内迁移的激活能分别为3.34 和4.30 eV,层间激活能分别为2.93 和3.64 eV,表明它们在晶内的迁移极为困难。结合此结果,对VC 薄膜的制备参数进行了讨论。

  VC 是硬度最高的过渡金属碳化物之一。VC 薄膜所具有的高硬度、低摩擦系数、低导热率和高耐蚀性等优异性能,展示出在现代工业中的广阔应用前景。VC 薄膜的制备技术已得到很多研究,如在反应磁控溅射中,随着CH4分压的升高,可获得不同碳含量的碳化钒薄膜,可能出现的成分有V,V2C,VC 及VC 与C 等,采用VC 复合靶和电子束蒸发的方法也可制备出单相NaCl 结构的VC 薄膜,其中基片预温度对薄膜结构和性能的影响甚微。文献也发现,溅射气压和基片温度这两个最重要的工艺参数对薄膜微结构与力学性能改善的作用有限,而通过调整陶瓷靶的成分则可以在较大的范围内明显改变薄膜的成分和微结构,并获得结晶程度和硬度均较高的单相VC 薄膜。

  从原子尺度上深入了解沉积原子吸附、扩散和化合的过程对揭示碳化物薄膜的形成和生长规律非常重要,而这一方面的研究尚不充分。本文采用第一原理计算的方法研究了C 和V 原子在NaCl 结构VC 表面和晶体内部(111) 面上的迁移条件,并在此基础上讨论了工艺参数对薄膜生长的影响。

  第一性原理的计算表明:

  (1) 在VC(111) 表面上从hcp-HL 向fcc-HL 迁移时,C 原子的迁移激活能为0.8 eV,V 原子为2.48eV,表明在薄膜生长面的稳定位置上时C 仍具很高的迁移能力,而V 原子则难以迁移。

  (2) 在VC 晶体内时,C 原子在(111) 层内迁移激活能为3.34 eV,层间迁移激活能为2.93 eV,V 原子的(111) 层内迁移为激活能4.30 eV,层间迁移激活能为3.64 eV,表明C,V 原子在晶格内部都难以扩散。

  (3) 在此基础上讨论了类石墨结构形成,对沉积温度和C/V 比例几种制备参数的影响进行了分析。

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