RICERCA ITALIANA     

Interazioni atomiche in superficie. Descrizione ab initio di deposizione, crescita, dinamica e attrito nel Carburo di Silicio.

Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia

Abstract

Le proprietà meccaniche, elettroniche, strutturali dei materiali e le interazioni tra le loro superfici, le caratteristiche della crescita e della fabbricazione dei materiali e dispositivi possono essere descritte da un punto di vista microscopico e atomistico, grazie agli sviluppi odierni degli strumenti teorici e di calcolo. Il calcolo diretto della struttura elettronica, dell'energia totale e delle forze agenti sugli atomi, ottenuti descrivendo il sistema di elettroni di valenza come un sistema quantistico e le coordinate atomiche come parametri, consente di affrontare direttamente la descrizione del legame chimico e delle proprietà fisiche.
Anche se le simulazioni pienamente quantistiche posso trattare sistemi limitati a centinaia o migliaia di atomi e dimensioni della cella di simulazione sufficientemente piccoli, è possibile trasferire su scale mesoscopiche i risultati ottenuti nelle simulazioni atomistiche, utilizzando la dinamica classica e/o metodi statistici per simulare il comportamento e la evoluzione di sistemi più estesi, descrivendo in modo accurato e ben trasferibile le forze interatomiche e le barriere energetiche.
Il gruppo proponente ha acquisito negli anni una particolare esperienza nei calcoli strutturali ed elettronici basati sulla teoria del funzionale densità e nelle applicazioni della dinamica molecolare Car-Parrinello e in questo progetto vuole approfondire lo studio degli strumenti di calcolo e del loro adattamento a sistemi che >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Carlo Maria Bertoni Università degli Studi di MODENA e REGGIO EMILIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto si articola su due linee:

1)Approfondimento dei meccanismi che caratterizzano la crescita, la deposizione, la ricostruzione superficiale, le condizioni che portano al riordinamento spontaneo strato per strato.
Applicazione allo studio della crescita del SiC in condizioni particolari con atomi chemisorbiti in superficie che simulino i processi MBE o da plasma. Gli strumenti sono al solito: studio di superficie di energia totale di adsorbimento, minimizzazioni globali dell’energia totale, transizioni tra i minimi di energia, identificazione dei punti sella e barriere, simulazioni dinamiche a temperatura fissata e/o variabile e in presenza di flussi di atomi [1]. I dati ricavati dalle simulazioni microscopiche possono essere utilizzate in simulazioni semi-classiche su larga scala [2] o in simulazioni tipo Kinetic-Monte-Carlo [3], in cui è stata accumulata una significativa esperienza. Questo studio potrà opzionalmente estendersi a interfacce tra SiC e altri materiali con parametro reticolare simile o in registro ad ampio gap (es. Ga_xAl_(1-x)N) importanti per i dispositivi. Sulla base di indicazioni che derivano da recenti risultati [4] che indicano delle transizioni di impilamento con passaggi da un politipo all’altro anche in regioni sepolte di volume, in dispositivi a seguito di attivazioni energetiche dovuti a processi elettronici [5], è interessante studiare nel volume tali transizioni che possono portare a trasformazioni di un politipo in >>>

Risultati parziali attesi

I risultati che prevediamo di ottenere nel progetto sono stati stati dettagliatamente descritti nell’articolazione del progetto. Li riassumiamo di seguito in modo sintetico.

1. Messa a punto di uno schema computazionale basato sul metodo Car-Parrinello per simulare la dinamica all’interfaccia tra due slabs in moto relativo e calcolarne il coefficiente di attrito.
2. Calcolo del coefficiente di attrito tra superfici di 3C-SiC polari e non-polari. Analisi dell’anisotropia del coefficiente di attrito dovuto alle diverse orientazioni cristallografiche delle superfici e alla presenza di ricostruzioni con diverse simmetrie.
3. Analisi delle proprietà tribologiche delle superfici (001)-3C-SiC in presenza di gruppi –H ed –OH derivanti dalla dissociazione di molecole di acqua. Il confronto con i risultati ottenuti al punto 2. evidenziera’ l’effetto di diverse condizioni ambientali sulle proprita’ trtibologiche del SiC.

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Stato dell'Arte relativo alla prima linea (Deposizione e Crescita)

Negli ultimi decenni grandi progressi sono stati ottenuti nello studio delle superfici ed interfacce [1] grazie agli approcci moderni basati sulla Teoria del Funzionale Densità (DFT) (calcoli da principi primi). Con queste metodiche si possono confrontare le energie di specifiche configurazioni geometriche. In questi approcci si utilizzano celle contenenti centinaia di atomi, con una minimizzazione globale dell'energia rilassando le coordinate atomiche o con un campionamento dinamico con vari approcci del tipo Car-Parrinello. Le proprietà elettroniche e strutturali delle configurazioni atomiche sono gli ingredienti di base per la descrizione. Si possono confrontare tra loro diverse ricostruzioni in presenza o no di atomi adsorbiti, paragonando le energie di geometrie diverse che corrispondono a minimi locali di energia [2], se non viene variato il numero di atomi. Se il numero di atomi è variabile è possibile confrontare gli andamenti dell’energia libera in funzione del potenziale chimico delle specie atomiche che sono fornite al sistema [3-4]. Inoltre è possibile studiare la dinamica individuando i modi normali di vibrazione [5] o, superando il limite dei piccoli spostamenti dall’equilibrio osservare le transizioni di fasi superficiali[6]. I proponenti questo progetto sono stati attivi, con vari collaboratori in questi campi da diversi anni.
Il Carburo di Silicio (SiC) è un >>>