Design tenkovrstvých materiálů a vysvětlení jejich vlastností pomocí simulací na atomární úrovni

Abstract

Disertační práce se zabývá teoretickým popisem pevných látek pomocí teorie funkcionálu hustoty. Studuje a rozvíjí vybrané prvky metodiky a předpovídá struktury a vlastnosti vybraných materiálů, převážně těch, jež jsou na katedře připravovány jako tenké vrstvy. Teoretické výsledky jsou proto často uváděny do souvislosti s experimentálními.

Jednou ze skupin studovaných materiálů jsou kubické a hexagonální nitridy přechodových kovů včetně svých tuhých roztoků, ternárních nitridů (Hf,M)N (M = Y, Ho, Ta, Mo). Je zkoumána jejich stabilita a mechanické vlastnosti. Formovací energie roztoků závisí kromě krystalické struktury také na rozložení atomů Hf a M a pro některá složení a rozložení též na případném provedení geometrické optimalizace pozic atomů. Vypočítané vlastnosti krystalických MN and (Hf,M)N jsou dále vztaženy k vlastnostem amorfních Hf-M-Si-B-C-N, modelovaných pomocí ab initio molekulární dynamiky. Formovací energie MN je užitečnou měrou hybné síly k tvorbě vazeb M-N v Hf-M-Si-B-C-N. Její postupný nárůst s růstem číslem sloupce prvku M v periodické tabulce koreluje s poklesem podílu vazeb M-N na všech vazbách atomů M v Hf-M-Si-B-C-N či s delokalizací elektronových stavů a zúžením zakázaného pásu. Trend růstu kovovosti potvrzují i experimentální výsledky jako růst elektrické vodivosti a extinkčního koeficientu. Korelaci lze nalézt i mezi mechanickými vlastnostmi pro tenkovrstvé Hf-M-Si-B-C-N a modelované MN, a snadné výpočty vlastností MN tak jsou užitečnou metodu předpovědi trendů vlastností Hf-M-Si-B-C-N. Pro případ Hf-Y-Si-B-C-N je korelace modelu s experimentem prokázána také při rostoucím obsahu dusíku: vypočítaný pokles zastoupení vazeb neobsahujících N a vzdálení elektronových stavů od Fermiho meze vysvětlují pokles experimentálního extinkčního koeficientu a odpovídající rozšíření zakázaného pásu.

Zvláštní pozornost je věnována magnetickému nitridu HoN. Výpočty ab initio týkající se elektronových struktur a souvisejících vlastností takového materiálu by měly správně reprodukovat jeho magnetický moment. Nejprve je určen počet neobsazených elektronových stavů, který zaručuje, že zjištěné energetické minimum je globální. Dále je vyvinuta metoda, která umožňuje, aby experimentální hodnota magnetizace tvořila energetické minimum, a je kladen důraz na příznivé rozložení spinů ve velké simulační buňce. Je prozkoumána závislost vybraných charakteristik HoN na velikosti buňky a magnetizaci. Tyto výsledky poskytují teoretický vhled do spinové struktury nitridů kovů vzácných zemin a umožňují použít správnou metodiku podobných výpočtů vlastností silně korelovaných materiálů.

Pro bixbyitové Ta2N3 a Ta2N2O jsou vypočítány hustoty elektronových stavů, které jsou v případě Ta2N2O užity k vysvětlení jeho experimentálních vlastností, zejména existence jednoho optického a dvou elektrických zakázaných pásů.

Je zkoumán také diborid (Ti,Zr,Hf,Ta)B2, zejména vliv poruch (jednak vakancí, a jednak atomů C, poruch relevantních pro četné experimenty) na charakteristiky materiálu. Jsou prozkoumány různé druhy, koncentrace i rozložení poruch a jsou rozpoznána uspořádání vedoucí na nejnižší formovací energie. Náhrada atomů B atomy C je méně výhodná než tvorba bórových vakancí. Vakance dále upřednostňují shlukování do rozsáhlejší plošné oblasti bez atomů, a minimalizují tak počet přerušených vazeb B-B, zatímco uhlíkové substituce na bórových pozicích shlukování neupřednostňují a mají sklon minimalizovat počet vazeb C-C. S koncentrací vakancí zároveň roste objem na atom. Tyto výsledky jsou využity k vysvětlení experimentálních jevů, jako je uvolnění kompresního pnutí při žíhání diboridů. Je kvantifikován také vliv vakancí na mechanické a elektronické vlastnosti.