Моделирование механизмов диффузии примесных атомов алюминия (Al) в меди (Cu)
Расчет энергетических барьеров перехода атомов алюминия в вакансию меди. Основа квантово-химического моделирования. Значение величин энергии образования вакансии меди в различных системах. Кристаллическая структура меди. Изучение процессов диффузии.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.04.2018 |
| Размер файла | 740,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСНЫХ АТОМОВ АЛЮМИНИЯ (Al) В МЕДИ (Cu)
Бочкарев А.С.
научный руководитель канд. физ.-мат. наук Кузубов А. А.
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
В настоящее время индустрия микроэлектроники развивается быстрыми темпами. Современные тенденции в данной сфере требуют от электронных устройств становиться все более производительными и многофункциональными, и в то же время быть компактными. Для создания таких устройств необходимы материалы высокого качества, а поскольку даже небольшое содержание примесных атомов в полупроводниковых материалах, на основе которых создаются электронные приборы, может коренным образом изменить их свойства, изучение процессов диффузии в этих материалах является важной задачей.
Целью данной работы являлось установить вероятный механизм диффузии примесных атомов алюминия в меди на основе квантово-химического моделирования.
Все расчеты осуществлялись с помощью квантово-химического моделирования в программном пакете VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package) в рамках метода функционала плотности (Density Functional Theory) с использованием базиса плоских волн с максимальной кинетической энергией 400 эВ и PAW формализма. Вычисления проводились в рамках обобщенного градиентного приближения (GGA) - обменно-корреляционого функционала PBE (Perdew-Burke-Ernzerhof). Для нахождения переходных состояний и потенциальных барьеров перехода использовался метод упругой ленты (Nudged Elatic Band).
Механизм диффузии предлагается определить моделированием процессов перехода атомов алюминия в различные положения внутри структуры меди. На основании величин энергетических барьеров при таких переходах, а также стабильности промежуточных структур, будет сделан вывод о возможном механизме диффузии алюминия в меди.
Чтобы в условиях периодического во всех направлениях расчета снизить взаимное влияние примесных атомов в соседних образах элементарной ячейки, эта ячейка должна быть как можно больше. Поэтому на начальном этапе была проведена оптимизация геометрии элементарной и суперячейки 3х3х3 меди, которая содержала 108 атомов.
Далее рассчитывалась энергия образования растворов алюминия в меди. Анализ кристаллической структуры меди показывает, что возможно три варианта структуры таких растворов (рисунок 1): два раствора внедрения, когда атом алюминия располагается в октаэдрической полости (a), тетраэдрической полости (b), и раствор замещения, когда атом алюминия замещает атом меди в структуре решетки (с).
Энергий образования E(CuAlbulk) различных растворов алюминия в меди определялась по следующим формулам (формула (1) соответствует энергии образования раствора замещения, формула (2) - раствора внедрения):
атом алюминий медь химический
E(CuAlbulk) = Etоtal(CuAlbulk) + ECu - EAl - Etotal(Cubulk), (1)
E(CuAlbulk) = Etоtal(CuAlbulk) - EAl - Etotal(Cubulk), (2)
где Etоtal(CuAlbulk) - полная энергия суперячейки раствора алюминия в меди, Etotal(Cubulk) - полная энергия суперячейки кристалла меди, ECu и EAl - энергия атома меди и алюминия соответственно в кристаллической решетке.
Расчет показал, что энергетически выгодной является структура раствора замещения (энергия образования -0,58 эВ по сравнению с 3,37 и 3,6 эВ для растворов внедрения в октаэдрическое и тетраэдрическое положение соответственно), поэтому при моделировании переходов полагалось, что атом алюминия перемещается между положениями замещения. Кроме того, для осуществления перехода в конечном положении должна находиться вакансия меди. Поэтому дополнительно были оптимизированы структуры с вакансией меди в первой и второй координационной сфере атома алюминия, а также суперячейка чистой меди с вакансией.
Рисунок 1 - Схематичное изображение возможных структур растворов алюминия в меди
Далее был проведен расчет энергетических барьеров перехода атомов алюминия в вакансию меди, а также атомов самой меди из второй координационной сферы в первую и в чистой меди. На рисунке 2 представлены схемы этих переходов. Значения величин энергетических барьеров представлены в таблице 1
Рисунок 2 - Схемы переходов атомов алюминия и меди. На схемах a и b показан переход атома алюминия во вторую и первую координационную сферу соответственно; на схемах c и d показан переход атомов меди во вторую и первую координационную сферу атома алюминия соответственно
Энергия образования вакансии меди E(VCu) рассчитывалась по формуле:
E(VCu) = Etоtal(CuAlbulk+VCu) - Etotal(CuAlbulk) + ECu, (3)
где Etоtal(CuAlbulk+VCu) - полная энергия суперячейки раствора алюминия в меди с вакансией меди, Etotal(CuAlbulk) - полная энергия суперячейки раствора алюминия в меди без вакансии, ECu - энергия атома меди в кристаллической решетке. Значения энергии образования представлены в таблице 2.
Таблица 1 - Значения величин энергетических барьеров для различных типов переходов
|
Величина |
Значение, эВ |
|
|
Энергетический барьер перехода a |
3,00 |
|
|
Энергетический барьер перехода b |
0,64 |
|
|
Энергетический барьер перехода c |
0,73 |
|
|
Энергетический барьер перехода d |
0,83 |
|
|
Энергетический барьер самодиффузии в чистой меди |
0,77 |
Таблица 2 - Значения величин энергии образования вакансии меди в различных системах
|
Величина |
Значение, эВ |
|
|
Энергия образования вакансии в чистой меди |
1,09 |
|
|
Энергия образования вакансии dAl-Vac=8.515 Е |
1,06 |
|
|
Энергия образования вакансии dAl-Vac=3,603 Е |
1,03 |
|
|
Энергия образования вакансии dAl-Vac=2,462 Е |
0,99 |
На основании величин энергетических барьеров можно сделать вывод, что основной механизм диффузии алюминия представляет собой переход из положения замещения в положение вакансии меди, находящейся в первой координационной сфере. Переход непосредственно во вторую координационную сферу маловероятен ввиду высокого энергетического барьера. Последующее перемещение примесного атома осуществляется путем диффузии атомов меди и образования в связи с этим новых вакансий.
Кроме того, величины барьеров самодиффузии в чистой меди и при наличии атома алюминия, а также энергия образования вакансии вдали от атома алюминия и в его ближайшем окружении (таблица 2), свидетельствуют о наличии тенденции образования вакансий именно вблизи примесного атома, что говорит в пользу предложенного механизма.
Авторы выражают благодарность Институту компьютерного моделирования CO PAH. Межведомственному суперкомпьютерному центру РАН, а также компьютерному центру Сибирского федерального университета за предоставление возможности использования вычислительных кластеров, на которых и были произведены расчеты.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Промышленное значение цветных металлов: алюминий, медь, магний, свинец, цинк, олово, титан. Технологические процессы производства и обработки металлов, механизация и автоматизация процессов. Производство меди, алюминия, магния, титана и их сплавов.
реферат [40,4 K], добавлен 25.12.2009Эксплуатационные свойства металлов. Классификация металлических материалов. Черные и цветные металлы, их сплавы. Стали для режущих и измерительных инструментов. Стали и сплавы со специальными свойствами. Сплавы алюминия и меди. Сплавы с "эффектом памяти".
курсовая работа [1,6 M], добавлен 19.03.2013Методика и основные этапы проведения металлографического анализа сплава латуни Л91. Зарисовка микроструктуры данного сплава на основе меди. Подбор необходимой диаграммы состояния. Зависимость механических свойств с концентрацией меди в сплаве латуни Л91.
лабораторная работа [466,3 K], добавлен 12.01.2010Общие сведения о меди, ее свойства и области применения. Основные минералы меди. Организация медеплавильного цеха ОАО "СУМЗ". Процесс плавки в жидкой ванне. Конструкция печи Ванюкова. Устройство конвертера и особенности конвертирование медных штейнов.
курсовая работа [1003,0 K], добавлен 19.01.2011Характеристика меди и ее сплавов. Пористость. Особенности технологии сварки. Подготовка под сварку. Газовая сварка. Ручная сварка. Автоматическая сварка под флюсом. Дуговая сварка в защитных газах. Свариваемость меди.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 25.05.2007Методика проведения металлографического анализа сплава латуни ЛА77–2. Зарисовка микроструктуры данного сплава на основе меди. Приведение необходимой диаграммы состояния. Зависимость механических свойств с концентрацией меди в сплаве латуни ЛА77–2.
лабораторная работа [824,5 K], добавлен 12.01.2010Свойства меди, области ее применения. Сырье для получения меди, способы ее производства. Расчет материального баланса плавки. Полный термодинамический анализ с использованием программного комплекса "Астра-4". Обработка результатов расчетов программы.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 15.07.2017Тенденции и динамика производства меди. Технологический процесс производства меди, ее классификация, маркировка, свойства и область применения. Классификация и марки медных сплавов. Конъюнктура международного и отечественного рынка меди и сплавов.
реферат [53,4 K], добавлен 15.12.2012Теоретические процессы огневого рафинирования меди. Расчеты сырья, технико-экономические показатели. Выбор состава черновой меди. Физико-химические принципы и реакции процесса плавки. Термодинамические закономерности процесса окислительного рафинирования.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 08.05.2012Огневое и электролитическое рафинирование вторичной меди. Отличительные особенности основного способа ее очистки от примесей. Анализ результатов периодических медицинских осмотров рабочих, занятых в огневом и электролитическом рафинировании меди.
контрольная работа [32,6 K], добавлен 14.10.2011Расчет показателей электролитического рафинирования анодной меди с использованием безосновной технологии. Составление материального, электрического и теплового баланса. Описание характеристик оборудования. Вычисление себестоимости изготовления катода.
дипломная работа [875,4 K], добавлен 02.09.2015Характеристика медных руд и концентратов. Минералы меди, содержание в минерале, физико-химические свойства. Принципиальная технологическая схема пирометаллургии меди. Процесс электролитического рафинирования. Характеристика автогенных процессов плавки.
курсовая работа [226,8 K], добавлен 04.08.2012Теоретические основы огневого рафинирования меди. Принцип действия и конструкция печи, преимущества и недостатки использования, автоматизация и контроль. Расчет материального и теплового баланса, печи, освещения, вентиляции, экономических показателей.
курсовая работа [336,1 K], добавлен 26.05.2015Характеристики физико-механических свойств меди. "Водородная болезнь" меди. Полигонизация, повышение электропроводности. Структура и свойства латуней. Деформируемые и литейные оловянные бронзы. Двойные и дополнительно легированные алюминиевые бронзы.
лекция [138,9 K], добавлен 29.09.2013История развития металлургии меди. Технологический процесс получения отливки методом литья в разовые литейные формы. Чертеж модельно литейных указаний. Выбор оборудования для формообразования поковки. Технологические методы обработки поверхностей.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 21.01.2010Технологический процесс выплавки черновой меди. Техническая характеристика конвертера, конструкция, принцип действия. Расчет и выбор оборудования в отделении. Прочностные расчеты узлов и деталей. Монтаж, ремонт, смазка и обслуживание механизма укрытия.
дипломная работа [625,7 K], добавлен 04.06.2016Травление меди, окислительно-восстановительный процесс, в котором окислителем является травильный раствор. Совместимость травителей и применяемых резистов. Операции для придания диэлектрику способности к металлизации. Сенсибилизация и активация.
реферат [186,7 K], добавлен 09.12.2008Основные физические и механические свойства меди. Образование соединений с кислородом и водородом. Применяемые виды сварки. Дуговая сварка угольным и графитовым электродом: род тока, сечение электрода, диаметр прутка. Флюсы и присадки для газовой сварки.
доклад [500,5 K], добавлен 03.05.2015Особенности медных сплавов, их получение сплавлением меди с легирующими элементами и промежуточными сплавами - лигатурами. Обработка медных сплавов давлением, свойства литейных сплавов и область их применения. Влияние примесей и добавок на свойства меди.
курсовая работа [994,4 K], добавлен 29.09.2011Особенности и сущность метода динамического молекулярного моделирования. Параметры потенциала, относительный коэффициент диффузии. Специфика распределения атомов в структуре системы. Координационное число для Li-Oet. Сфера использования этого метода.
презентация [250,4 K], добавлен 24.10.2013
