利用第一性原理方法研究材料的机械热力学和磁性等性质.PDF

利用第一性原理方法研究材料的机械、热力学和磁性等性质 第一性原理计算(the first-priciples calculation) ，又称为从头算(the ab-initio calculation)，是指从所研究材料的原子组分开始，运用量子力学及其它基本物理 规律通过自洽计算来确定材料的几何结构、电子结构、力热学性质和光学性质等 材料物性的方法。第一性原理计算采用“非经验”处理方法，只用5个基本物理常 量m0 、e、h 、c、kB 以及元素周期表中各组分元素的电子结构，就可以合理地预 测材料的许多物理性质。因此，第一性原理计算可以称得上真正意义的预测。虽 然它无需经验参数却可以达到很高的精度:用第一性原理计算的晶胞大小和实验 值只差几个百分点，其它性质也和实验很好地吻合，体现了该理论的正确性。第 一性原理计算同分子动力学相结合，己经越来越多地被应用到固体、表面、材料 设计、合成、模拟计算、大分子和生物体系等诸多方面的研究中，并获得许多突 破性的进展。随着计算机计算能力日新月异地增强，它己经成为计算材料科学的 重要基础和核心技术。 本小组利用第一性原理方法研究了互连界面金属间化合物、MAX化合物及 氧化物半导体材料的机械、热动力学和磁学特性，并分析了产生相应特性的物理 本质，为上述材料的工程应用提供了理论指导。 1、在微电子互连领域，Pt金属层作为传统Au/Ni/Cu焊盘下金属化层的替代 材料之一正引起该领域研究学者的广泛关注。为研究Sn基焊料与Pt金属层互连界 面的连接可靠性问题，本小组利用第一性原理计算方法分析了已在实验中观察到 的五种Pt-Sn金属间化合物（图1）的热力学（图2 ）和弹性特性（图3，4 ）。计算 结果显示了五种Pt-Sn金属间化合物的稳定程度和弹性各向异性行为。此外，我 们通过电子结构分析了上述金属间化合物弹性行为的起源（图5 ）。（该研究成果 已发表在Computational Materials Science上） 图1： Pt-Sn 相图 图2 ： Pt-Sn金属间化合物形成焓 图3 ： 图 2 Pt-Sn金属间化合物体模量 图4 ： PtSn 金属间化合物杨氏模量三维空间分布 4 图5： PtSn 金属间化合物电荷密度分布 4 2 、Cu Sn 和Cu Zn 金属间化合物的热力学、弹性及电子特性 6 5 5 8 Cu Sn 和Cu Zn 是目前微电子封装领域Sn基互连焊点界面的主要金属间化 6 5 5 8 合物成分，其热力学及弹性特性直接关系到微电子期间的使用可靠性。本小组利 用第一性原理计算方法结合准简谐德拜模型分析了两种金属间化合物的弹性行 为（图1）及其电子起源（图2 ），同时预测了上述金属间化合物的比热（图3 ）、 德拜温度和热膨胀系数等随温度变化关系，为工程领域准确预测互连焊点时效机 制提供了充足的理论依据。（该研究成果已发表在Intermetallics上） 图1： Cu Sn 和Cu Zn 杨氏模量空间分布 6 5 5 8 图2 ： Cu Sn 金属间化合物的能态密度 6 5 图3 ： Cu Sn 和Cu Zn 的比热随温度变化关系 6 5 5 8 3、Cr2GeC化合物的结构、热动力学、弹性和磁性能研究 有于优良的机械性能和热稳定性等特点，MAX相化合物受到人们的普遍关 注。本小组利用第一性原理计算方法结合准简谐德拜模型研究了Cr GeC化合物 2 的结构（图1）、热动力学（图2 ）、弹性和磁学特性（图3 ），并深入探讨了上述特 性的电子本构起源（图4 ），为后续对MAX相化合物的实验和理论研究提供了依 据。（该研究成果已发表在Journal of Appl