Influence of vacancies on the N K-edge ELNES response of fcc Tantalum nitrides: Ab initio study

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Organisationseinheiten

Abstract

Diese Studie zielt darauf ab, den Einfluss von Leerstellen auf das Stickstoff K-Kanten-Feinstrukturspektrum (Electron Energy Loss Near Edge Structure, ELNES) von kubisch-flächenzentriertem Tantalnitrid (TaN) zu untersuchen, wobei Dichtefunktionaltheorie (DFT) Simulationen verwendet werden. TaN ist in der Mikroelektronikindustrie bekannt, wo es als Diffusionsbarriere und Haftschicht dient, und wird in der Werkzeugindustrie für seinen Einsatz in verschleißfesten Beschichtungen anerkannt. Typischerweise wird das Material in solchen Anwendungen als dünne Schichten auf ein Substrat aufgetragen, unter Verwendung von Methoden wie der Physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) oder der Chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). Es ist bemerkenswert, dass Defekte in der Kristallstruktur die mechanischen und elektronischen Eigenschaften der Filme dramatisch beeinflussen können. Die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) ist ein verbreitetes Werkzeug in der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zur Identifikation kristalliner Strukturen. Insbesondere das ELNES, welches den Teil des EELS-Spektrums in der Nähe der Absorptionskante eines Atoms darstellt, zeigt eine hohe Empfindlichkeit gegenüber der lokalen atomaren Umgebung. Dies liefert wertvolle Einblicke in die Anwesenheit von Defekten und die elektronische Struktur des Materials. Diese Arbeit strebt danach, die Beziehung zwischen Stickstoff K-Kanten-Spektren, vorhergesagt durch DFT-Simulationen, und den Parametern der lokalen Umgebung in simulierten Strukturen mit Leerstellendefekten zu erhellen. TaN$_x$ Strukturen für die Simulation wurden von anfänglichen 64-Atom, defektfreien TaN-Supergittern abgeleitet. Verschiedene Mengen an Tantal- und Stickstoffleerstellen sowie Schottky-Defekte wurden in die defektfreie Struktur mittels der Methode der speziellen quasizufälligen Strukturen (SQS) eingeführt. Die Geometrie jeder Struktur wurde anschließend durch vollständige Relaxation im Vienna Ab-initio Simulationspaket (VASP) DFT-Code optimiert, um das Erreichen eines Potenzialenergieoberflächenminimums sicherzustellen. Im Gegensatz dazu wurden Berechnungen des N K-Kanten-ELNES-Spektrums unter Verwendung des Wien2K DFT-Codes und seines TELNES3-Pakets an den entspannten Strukturen durchgeführt, ohne Einführung fraktionierter Kernlöcher, um Rechenressourcen zu sparen. Die Analysen der ELNES-Spektren in dieser Studie basieren auf Korrelationsmethoden. Ihr Fokus lag auf: der Beziehung beobachteter Merkmale sowohl innerhalb einzelner Atome einer Struktur als auch zwischen verschiedenen Strukturen selbst; dem Vergleich ihrer jeweiligen ELNES-Intensitätsverteilungen für unterschiedliche angewandte Verbreiterungsgrade und der Korrelation dieser mit ihren jeweiligen lokalen Umgebungen. Die Modellierung dieser Korrelationsmethoden wurde in Python durchgeführt, unter Verwendung mehrerer gängiger Module wie numpy, scikit-learn und scipy. Vorläufige Ergebnisse deuten insbesondere darauf hin, dass für die ELNES-Antwort bei etwa 5.3 eV über der Fermi-Energie eine robuste positive Beziehung zum Anteil der N-Leerstellen in der Struktur existiert, gleichzeitig mit einer negativen zu dem Anteil der Ta-Leerstellen. Darüber hinaus weisen Beweise auf das Vorhandensein relativer Verschiebungen auf der Energieachse zwischen beobachteten ELNES-Merkmalen der Strukturen hin.

Details

Titel in ÜbersetzungEinfluss von Leerstellen auf das N-K-Kanten-Feinstrukturspektrum von fcc-Tantalnitriden: Ab-initio-Studie
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung15 Dez. 2023
StatusVeröffentlicht - 2023