【摘 要】
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二氧化硅在熔石英、掺铋石英光纤、金属氧化物界面等功能材料领域有着广泛的应用前景,受到了科研人员的广泛关注。本论文基于二氧化硅功能材料,通过设计不同结构的二氧化硅基模型,结合第一性原理等方法系统研究其基本物性、发光特性和介电击穿特性,为二氧化硅在功能材料制备和器件应用上提供一定的理论基础。本论文主要研究内容包括:(1)熔石英缺氧缺陷的基本物性研究。设计了ODC(Ⅰ)缺
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二氧化硅在熔石英、掺铋石英光纤、金属氧化物界面等功能材料领域有着广泛的应用前景,受到了科研人员的广泛关注。本论文基于二氧化硅功能材料,通过设计不同结构的二氧化硅基模型,结合第一性原理等方法系统研究其基本物性、发光特性和介电击穿特性,为二氧化硅在功能材料制备和器件应用上提供一定的理论基础。本论文主要研究内容包括:(1)熔石英缺氧缺陷的基本物性研究。设计了ODC(Ⅰ)缺陷模型,发现随着Si-Si键逐渐变长,ODC(Ⅰ)缺陷的形成能逐渐增加,对应的光吸收峰逐渐分裂为两个峰并向两侧移动。通过设计不同元环的ODC(Ⅰ)缺陷聚集模型,发现ODC(Ⅰ)缺陷聚集情况更容易出现在五元环中。研究了表面E心缺陷的吸附特性,研究表明F原子比Cl原子更容易被表面E心缺陷捕获,而且引入F/C1原子会导致带隙中缺陷态的消失。(2)掺铋石英光纤低价态铋粒子发光特性研究。设计了不同元环的三价铋结构,发现从紫外到可见光的宽光谱发光是由三价铋离子和环状结构共同导致的。设计了三种不同的一价铋结构,发现1492nm附近的发光是由SiOBi结构引起的,1147nm和1403nm处的发光主要源于间隙Bi2O结构。研究了不同元环中三价铋到二价铋缺陷中心的反应路径,结果表明二价铋缺陷中心引起了1252nm、1306-1313nm、1574nm、1600nm处的近红外发光。(3)铝/二氧化硅界面的介电击穿特性研究。构建了三种不同的Al/SiO2界面模型,发现O界面模型具备较高的静电势偏移、较大的虚拟氧化层厚度和较低的电子势垒高度,是三种界面模型中较为理想的抗介电击穿模型。通过研究三种界面模型之间的转换路径,发现Si界面模型可以朝着O界面模型转换,O界面模型可以朝着SiO界面模型转换,SiO界面模型转换为Si界面模型和O界面模型时需要的能量都比较小。本论文主要创新点包括:(1)熔石英缺氧缺陷的线性和聚集特性:发现了ODC(Ⅰ)缺陷的形成能和Si-Si键长之间的线性关系,揭示了不同元环中ODC(Ⅰ)缺陷的聚集特性,为制备熔石英相关器件提供了理论基础。(2)掺铋石英光纤低价态铋粒子的发光机制:发现了一价铋和二价铋缺陷中心与掺铋光纤近红外发光的关联性,明确了低价态铋粒子的发光机理,为制备高性能掺铋石英光纤提供了理论依据。(3)铝/二氧化硅界面的介电击穿机制:发现了O界面模型具备较好的抗介电击穿性能,揭示了三种界面模型之间存在的相互转换特性,为研制抗介电击穿金属氧化物界面提供理论指导。
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