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Properties of silicon nitride
an ab-initio study of the crystalline phases and amorphous silicon-nitrogen alloys
Thomas Frederic Watts
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Georg Kresse
DOI
10.25365/thesis.17898
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29264.61735.182454-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Theoretische Ab-initio Methoden haben sich in der Materialphysik etabliert, da sie wichtige Erkenntnisse liefern als Bestätigung, Ergänzung und Erweiterung von experimentellen Befunden.
Die gegenständliche Studie berechnet physikalische Eigenschaften von kristallinem Siliziumnitrid und amorphen Silizium-Stickstoff Legierungen mit dem Vienna Ab-initio Simulation Package VASP, welches auf der Dichtefunktionaltheorie basiert.
Die Arbeit implementiert ein optimiertes Potential zur Behandlung der amorphen Legierungen mittels vorhergehender Bestimmung der strukturellen, elektronischen, optischen und Schwingungseigenschaften von alpha-, beta-, und gamma-Si3N4 mit einem regulären Potential.
Es wird bestätigt, dass es sich bei der Raumgruppe der stabilen Phase, beta-Si3N4, um P6_{3}m handelt.
Die generelle Bandstruktur von kristallinem Siliziumnitrid zeigt zwei flache Valenzbänder, welche durch eine Lücke getrennt werden.
Breite indirekte Kohn-Sham PBE Bandlücken zwischen 3.3 eV und 4.7 eV werden beobachtet, wie auch optische Absorption ab Photonenenergien von 5.0 eV.
Schwingungsfrequenzen von 180 cm^{-1} bis 1030 cm^{-1} treten auf.
Sodann werden die Berechnungen der kristallinen Phasen mit den optimierten Potentialen durchgeführt und verglichen.
Es wird gezeigt, dass die Potentiale zur Behandlung der amorphen Legierungen angemessen sind.
Ein optimiertes Potential wird ausgewählt und zur Berechnung der strukturellen und elektronischen Eigenschaften von hydrierten und unhydrierten amorphen Silizium-Stickstoff Legierungen eingesetzt.
Den Hauptfokus stellen die Legierungen a-Si3N3, a-Si3N4, a-Si3N3:H und a-Si3N4:H dar.
Eine Bestimmung der mittleren Abstandsquadrate und Diffusionskoeffizienten, der partiellen Paarkorrelationsfunktionen, der Bindungswinkelverteilungen, der Koordinationszahlen und der strukturellen Defekte wird durchgeführt.
Die elektronische Struktur von Valenzband, Leitungsband und Bandlücke sind ähnlich wie die der kristallinen Phasen.
Die amorphen Silizium-Stickstoff Legierungen weisen KS PBE Bandlücken von 1.4 eV bis 2.8 eV auf, je nach Stöchiometrie Si/N und Wasserstoffgehalt.
Festgestellt wird eine Tendenz zur Bandlückenaufweitung für an Si3N4 annähernde Stöchiometrien sowie, obwohl weniger ausgeprägt, für hydrierte Legierungen.
Die Hydrierung zeigt einen ausheilenden Effekt auf elektronische Defektzustände durch Reduzierung der Lokalisierung von Valenzelektronen.
Wasserstoff bildet Bindungen zu N sowie Si in a-Si3N3:H, aber bevorzugt N in a-Si3N4:H.
Zustände in der Bandlücke werden in a-Si3N3 und a-Si3N3:H beobachtet.
Energielevels in der Nähe des Valenzbandes stammen großteils von Koordinierungsdefekten, jedoch Zustände beim Leitungsband sind durch Beiträge von Atomen innerhalb des Si Perkolationsnetzwerkes ausgezeichnet.
Es wird bestätigt, dass, neben dem Auftreten struktureller Defekte, je mehr Si Atome Teil des Perkolationsnetzwerkes sind, desto mehr schrumpft die Bandlücke aufgrund Lokalisierung von Defektzuständen.
Abstract
(Englisch)
Theoretical ab-initio methods have been established in materials physics, as they supply important insights to verify, supplement and extend experimental findings.
The present study calculates physical properties of crystalline silicon nitride and amorphous silicon-nitrogen alloys with the Vienna ab-initio simulation package VASP, based on density functional theory.
We implement an optimized potential for treating the amorphous alloys by first determining structural, electronic, optical and vibrational properties of alpha-, beta-, and gamma-Si3N4 with a regular potential.
The space group of the stable polymorph, beta-Si3N4, is confirmed as P6_{3}m.
In general, the band structure of crystlline silicon nitride exhibits two flat valence bands separated by a gap.
Wide indirect Kohn-Sham PBE band gaps between 3.3 eV and 4.7 eV are observed as well as an absorption of photons above 5.0 eV.
Vibrational frequencies range from 180 cm^{-1} to 1030 cm^{-1}.
Then the calculations of the crystalline phases are performed with the optimized potentials and compared.
In following we establish that the potentials are adequate for treating the amorphous alloys.
One optimized potential is selected and used for obtaining the structural and electronic properties of amorphous silicon-nitrogen alloys, unhydrogenated and hydrogenated.
The main focus is placed on a-Si3N3, a-Si3N4, a-Si3N3:H and a-Si3N4:H.
A determination of mean square displacements and diffusion coefficients, partial pair correlation functions, bond angle distributions, coordination numbers and structural defects is conducted.
The electronic structures of valence band, conduction band and band gap are similar to those of the crystalline phases.
The amorphous silicon nitrogen alloys display KS PBE band gaps between 1.4 eV and 2.8 eV, depending on stoichiometry and hydrogen content.
We observe a tendency of band gap widening for stoichiometry approaching a-Si3N4 and, less distinct but noticeable, for hydrogenated alloys.
Hydrogenation has a curing effect on the electronic levels of defects, by reducing the localization of valence electrons.
Hydrogen bonds to N and Si in a-Si3N3:H, but prefers N in a-Si3N4:H.
Gap states are observed in a-Si3N3 and a-Si3N3:H.
Levels close to the valence band originate mainly from coordination defects, whereas the levels in the vicinity of the conduction band are dominated by contributions from atoms within the Si random percolation network.
We confirm that, aside from structural defects, the more Si atoms are part of the random percolation network, the more the band gap decreases due to tailing of levels into the gap.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
VASP ab-initio DFT silicon nitride silicon-nitrogen alloy amorphous crystalline
Schlagwörter
(Deutsch)
VASP ab-initio DFT Siliziumnitrid Silizium-Stickstoff Legierung amorph kristallin
Autor*innen
Thomas Frederic Watts
Haupttitel (Englisch)
Properties of silicon nitride
Hauptuntertitel (Englisch)
an ab-initio study of the crystalline phases and amorphous silicon-nitrogen alloys
Paralleltitel (Deutsch)
Eigenschaften von Siliziumnitrid
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
92 S. : graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Georg Kresse
Klassifikation
33 Physik > 33.61 Festkörperphysik
AC Nummer
AC09024710
Utheses ID
16035
Studienkennzahl
UA | 411 | | |