Cu掺杂类金刚石薄膜应力降低机制的第一性原理研究

目的比较不同浓度Cu掺杂类金刚石薄膜的性能变化规律,并分析Cu掺杂对薄膜性能变化的作用机制。方法建立密度为2.03 g/cm^3、2.87 g/cm^3的不同Cu原子数分数(1.56%~7.81%)掺杂类金刚石薄膜(Cu-DLC)初始模型,采用NVT和NOSE温度调节法模拟熔融退火及淬火过程,以及基于广义梯度近似(GGA)的共轭梯度法优化几何模型,运用CASTEP计算Cu-DLC模型的径向分布函数(RDF)、sp3-C含量、体积模量、键长和键角分布等,并探讨Cu掺杂对DLC膜应力变化的影响机制。结果随Cu含量的增加,薄膜中sp3-C杂化比例增加。与DLC相比,Cu掺杂DLC的RDF中第一峰和第二峰的位置发生显著偏移,薄膜中残余应力随着Cu含量的增加先减小后增大,Cu含量为1.56%时,残余应力最小(7.2 GPa)。Cu含量增加导致总键角分布的峰值降低,峰宽向小键角移动,总键长分布峰值降低,在长键长方向产生小而宽的峰。结论C Cu的弱键特性及扭曲的键角、键长得到松弛,对薄膜残余压应力的降低有显著作用,在较高Cu浓度条件下,扭曲的C C键比例增加,形成了更多扭曲的C Cu和Cu Cu结构是导致残余应力增加的关键因素。