TWI760967B - 異質材料之接合面結構的預測方法 - Google Patents
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Abstract
一種異質材料之接合面結構的預測方法，用以預測一具有第一組成物及第二組成物的異質材料的異質接面結構，該預測方法包含鍵結組合取得步驟，及鍵焓取得步驟。鍵結組合取得步驟列出該第一組成物與該第二組成物的原子種類可能形成的多個鍵結組合，每一鍵結組合具有至少一雙原子分子鍵結，分別來自該第一組成物的原子及該第二組成物的原子；鍵焓取得步驟計算取得每一鍵結組合的總焓值，並以此預估該異質接面結構可能形成的鍵結組合。本發明提供一種簡便的預測方法，只需計算可能形成的鍵結組合的總焓值，即可以此預測該異質材料之接合面形成的異質接面結構。
Description
本發明是有關於一種材料結構的預測方法，特別是指一種異質材料結構的預測方法。
異質薄膜經常出現於半導體、太陽能電池或雙極性電晶體等複合材料元件，而該異質薄膜的界面結構(例如晶格排列、表面極性等)對於界面接合處的穩定性或是元件整體的光電性質有顯著的影響，因此，異質薄膜的界面結構及其界面能的預測分析為相關領域對於材料開發的重要手段之一，且透過預測的方式能大量減少在材料研發的實驗上所耗費的成本。
然而，此類以材料結構所劃分的界面，由於兩異質相在該界面處處於能量平衡的狀態，因此難以透過單純的理論計算或是實驗方法直接測量該異質薄膜的界面結構及其界面能。現階段而言，常見的異質薄膜的界面結構或界面能的計算方式大致分為兩種：一為利用計算兩異質薄膜接合與分離所需的能量差，進行推算取得該異質薄膜的界面結構或界面能；另一種計算方式則是經由分別計算異質薄膜在不同厚度時的塊體能量及表面能，進而推算出該異質薄膜的界面能與界面結構，然而，前述的兩種計算方式皆需要擁有深厚的結晶學知識才得以進行，因此，如何以更簡易明瞭的方式預測異質薄膜的界面結構以迎合業界在材料研發的需求，為本技術領域者亟欲發展的方向。
因此，本發明的目的，即在提供一種異質材料之接合面結構的預測方法，能以簡便的方式預測一異質材料於不同組成物的接合面處的異質接面結構。
於是，本發明異質材料之接合面結構的預測方法，用以預測一具有一第一組成物及一第二組成物的異質材料，該第一組成物與該第二組成物的接合面形成的異質接面結構，該預測方法包含一鍵結組合取得步驟，及一鍵焓取得步驟。
該鍵結組合取得步驟列出該第一組成物與該第二組成物的原子種類可能形成的多個鍵結組合，其中，每一鍵結組合具有至少一雙原子分子鍵結，且該至少一雙原子分子鍵結分別來自該第一組成物的原子及該第二組成物的原子。
該鍵焓取得步驟計算取得每一鍵結組合的所有鍵結的總焓值，利用該等總焓值預估得到該異質接面結構可能形成的鍵結組合。
本發明的功效在於：通過直接計算該第一組成物與該第二組成物的接合面處可能形成的每一種鍵結組合的總焓值，並對該等鍵結組合的總焓值進行比較，即可預測構成該異質接面結構最穩定且形成可能性最高的鍵結結構。
參閱圖1、圖2，本發明異質材料之接合面結構的預測方法的一實施例，用以預測一具有一第一組成物11及一第二組成物12的異質材料1，該第一組成物11與該第二組成物12的接合面形成的異質接面結構13，該預測方法包含一鍵結組合取得步驟21，及一鍵焓取得步驟22。
該鍵結組合取得步驟21是列出該第一組成物11與該第二組成物12的原子種類可能形成的多個鍵結組合，其中，每一鍵結組合具有至少一雙原子分子鍵結，且該至少一雙原子分子鍵結分別來自該第一組成物11的原子及該第二組成物12的原子。
具體的說，該第一組成物11與該第二組成物12於該接合面產生的該異質接面結構13，理論上是由該第一組成物11的至少一原子與來自該第二組成物12的至少一原子產生鍵結而形成。因此，該鍵結組合取得步驟21是利用將該第一組成物11與該第二組成物12含有的不同元素進行結構排列組合，以得到可能的鍵結組合。
該鍵焓取得步驟22計算取得每一種鍵結組合的所有鍵結的總焓值，利用該等總焓值預估得到該異質接面結構13的可能形成的鍵結組合。
在本實施例中，該每一鍵結組合的總焓值是該每一鍵結組合為氣相時的鍵焓總和。
一般而言，該異質接面結構13是以特定結構為單位連續且有序地排列形成，而該特定結構理論上應是最穩定且能量最低的結構。而雙原子分子的鍵焓值定義為將氣態的雙原子分子間的鍵結斷開所需要能量，因此鍵焓值越大，代表原子間的鍵結結合力越強，需要吸收的熱越多才能斷開鍵結；反之，當原子間產生鍵結而形成雙原子分子的時候會放熱，此時鍵結焓值的數值為負值，且放出的熱越大，所生成的鍵結越穩定，鍵結的結合力也越強。因此，本發明藉由計算不同鍵結組合中，所有雙原子分子形成鍵結時的鍵焓值總和，得以利用不同鍵結組合的總焓值得知最穩定鍵結，而可預估得到該異質材料1接合面最可能形成的異質接面結構13。
具體的說，該鍵焓取得步驟22是計算取得該異質材料1的每一鍵結組合的總焓值，其中，總焓值最低(且為負值)的鍵結組合即為該異質材料1之接合面狀態最穩定且最可能形成的鍵結結構，而由總焓值較高的鍵結組合形成的異質接面結構13則代表該異質材料1的接合面會處於較不穩定的暫態。
要說明的是，由於該異質材料1於接合面形成異質接面結構13時，涉及晶格結構的排列組合，因此該接合面的界面能屬於三維空間，而本發明的預測方法是通過省略三維晶格結構的應變能、結晶格子能、缺陷能等考量因素，將原本屬三維空間的界面能簡化為僅以一維空間的鍵焓值進行計算，並將每一鍵結組合的總焓值視為異質接面之界面能的量化結果，而得以將該異質材料1接合面的該異質接面結構13的總焓值視為與該異質材料1接合面的界面能成正比關係，即可利用總焓值取代習知的界面能，以預估該異質接面結構13。
在本實施例中，該鍵焓取得步驟22的每一鍵結組合的總焓值的計算可以是透過實驗量測方式，或通過現有的資料庫 (https://www.webelements.com/)取得每一鍵結組合的雙原子分子鍵結的鍵焓值，之後再將每一鍵結組合中所有雙原子分子鍵結的鍵焓值加總而得；該鍵焓取得步驟22也可以通過以密度泛函理論(Density functional theory，DFT)為基礎的第一原理計算(First-principles calculations)，以取得每一鍵結組合的總焓值。
前述以密度泛函理論為基礎的第一原理計算的方法，可以是利用例如VESTA、Materials Studio等分析軟體建立該每一鍵結組合的結構模型，再透過選用密度泛函理論的VASP(Vienna Ab initio Simulation Package)或CASTEP(CAmbridge Serial Total Energy Package)等軟體進行計算，以得到每一種雙原子分子鍵結的鍵焓值，並將該等鍵焓值進行加總以取得每一鍵結組合的總焓值。
詳細的說，價電子對於原子間的鍵結扮演了重要的角色，與位於原子核附近的深層電子相比，位於原子外層附近的價電子對於原子間鍵結形成的貢獻更大。因此，透過贋勢的方法(Pseudopotential)將實際的深層電子的電子位能進行簡化以得到原子核內部平滑的電子贋勢波函數，進而可減少平面波計算所需的時間。更具體而言，本案在運行基於密度泛函理論的VASP或CASTEP軟體時，可採用廣義梯度近似方法(Generized gradient approximation，GGA)，或局域密度近似（Local-density approximation, LDA）等計算方法，且計算時，平面波截斷能可設為400eV或更高，布里淵區（Brillouin zone）可以1x1x1的Monkhorst-Pack grid或Gamma centered grid進行採樣，並以此方法計算得出每一鍵結組合中各雙原子分子的基態能，再以此計算出該雙原子分子鍵結的鍵焓。
要說明的是，透過分析軟體建立結構模型進行計算以推算出異種雙原子分子之鍵焓的方式所需設定的參數條件已為相關領域所知悉，在此不多加說明。
茲以下述具體例1至3進一步說明以本發明該實施例的預測方法預測不同的第一組成物11、第二組成物12的接合面的該異質接面結構13，然實際實施時，並不以該等具體例為限。
具體例1
該具體例1的異質材料1是由氧化鉺(Er
2O
3)及矽(Si)組成，在本具體例中，是以氧化鉺於矽基板上進行異質磊晶成長為例。首先，對於矽塊體(Bulk)之鍵結的周期性排列結構進行分析，以此推估該異質接面結構13可能由何種原子鍵結配對構成，而得到三種可能形成的鍵結組合，分別為：鍵結組合I為兩對Er-Si鍵結(Er-Si-Er結構)，鍵結組合II為兩對O-Si鍵結(O-Si-O結構)，鍵結組合III為一對O-Si鍵結、一對Er-Si鍵結(Er-Si-O結構)。接著，依據第一原理計算出每一鍵結組合中的異種雙原子分子鍵結為氣相時的鍵焓值(見表1)，可以得知Er-Si鍵結的鍵焓值為-7.52eV、O-Si鍵結的鍵焓值為-8.74eV，將每一鍵結組合中的鍵焓值進行加總後，可以得知該具體例1的鍵結組合I的總焓值為-15.04eV (-7.52eV x 2)、鍵結組合II的總焓值為-17.48eV (-8.74eV x 2)、鍵結組合III的總焓值為-16.26eV [(-7.52eV)+(-8.74eV)]，經比對後可知，該鍵結組合II的總焓值比其他可能形成的鍵結組合的總焓值低，表示O-Si鍵結是構成氧化鉺與矽的異質接面最穩定的鍵結型態。因此，可以此推知該具體例1異質材料1的異質接面結構13會是以鍵結組合II的兩對O-Si鍵結長程有序地排列形成的結構。
以本發明該具體例1的預測方法預估的該異質接面結構13與參考文獻[Y.-W.Chen, P.-L.Liu, C.-H.Chan, Int.J.Appl.Phy.Math. 4 (2014) 108]中，通過計算出界面能而推論出的結果一致。
具體例2
該具體例2的異質材料1是由氮化鎵(GaN)及氧化鈧(Sc
2O
3)組成，在本具體例中，是以氮化鎵在氧化鈧(Sc
2O
3)模板(Template)上進行異質磊晶成長為例。首先，對於氧化鈧塊體結構之鍵結的周期性排列結構進行分析，以此推估該異質接面結構13可能由何種原子鍵結配對構成，而得到氮化鎵與氧化鈧分別有三種可能形成的鍵結組合，分別為：鍵結組合I為一對N-Sc鍵結，鍵結組合II為一對Ga-Sc鍵結，鍵結組合III為一對Ga-O鍵結。接著，依據第一原理計算出每一鍵結組合中該雙原子分子鍵結為氣相時的鍵焓值(見表1)，可以得知N-Sc鍵結的鍵焓值為-3.10eV、Ga-Sc鍵結的鍵焓值為-1.33eV、Ga-O鍵結的鍵焓值為-4.75eV，經比對後可知，在前述三組鍵結組合中，該具體例2的鍵結組合III的Ga-O鍵結的總焓值最低，表示Ga-O鍵結是構成氮化鎵與氧化鈧的異質接面最穩定的鍵結型態。因此，可以此推知該具體例2的異質接面結構13會以在磊晶氣氛富含Ga化學氣氛(Ga-rich)及富含O化學氣氛(O-rich)下所穩定存在。
以本發明該具體例2的預測方法預估的該異質接面結構13，所計算取得的結論與參考文獻[P.-L.Liu, K.-C. Liao, Scr.Mater. 68 (2013) 211]中，通過計算出界面能而推論出的結果一致。
具體例3
該具體例3的異質材料1是由氮化鎵(GaN)及氧化鎵(Ga
2O
3)所組成，在本具體例中，是以氮化鎵於氧化鎵模板上進行異質磊晶成長為例。首先，對於氮化鎵塊體之鍵結的周期性排列結構進行分析，以此推估該異質接面結構13可能由何種原子鍵結配對構成。詳細的說，於該異質接面結構13的鎵原子為配位數四的原子，而可與氧化鎵中的氧原子或氮化鎵中的氮原子形成鍵結，其中，鎵原子與氮原子可能形成的鍵結組合有二種，分別為可產生鎵極性(Ga-polar)的一對N-Ga鍵結，及可產生氮極性(N-polar)的三對N-Ga鍵結，然而，在與氧化鎵之接合面處，鎵原子的配位電子數並不足以承擔三對N-Ga鍵結的形成。因此，鎵原子與氮原子間僅可能會形成鎵極性之一對N-Ga鍵結。由前述分析可以得知在該具體例3中，氮化鎵與氧化鎵的接合面分別有兩種可能形成的鍵結組合，鍵結組合I為一對Ga-O鍵結，鍵結組合II為一對N-Ga鍵結。接著，依據第一原理計算出每一鍵結組合中該至少一對雙原子分子鍵結為氣相時的鍵焓值(見表1)，可以得知Ga-O鍵結的鍵焓值為-4.75eV、N-Ga鍵結的鍵焓值為-1.68eV，經比對後可知，該具體例3的鍵結組合I的Ga-O鍵結的總焓值最低，表示Ga-O鍵結是構成氮化鎵與氧化鎵的異質接面最穩定的鍵結型態。因此，可以此推知該具體例3的異質材料的異質接面結構13會以在磊晶氣氛富含Ga化學氣氛(Ga-rich)及富含O化學氣氛(O-rich)下所穩定存在。
以本發明該具體例3的預測方法預估的該異質接面結構13與參考文獻[P.-L.Liu,Y.-J. Siao, Y.-T. Wu, C.-H. Wang, C.-S. Chen, Scr.Mater. 65 (2011) 465]中，通過計算出界面能而推論出的結果一致。
表1
| 雙原子鍵結 | 鍵焓(eV) | |
| 具體例1 | Er-Si | -7.52 |
| O-Si | -8.74 | |
| 具體例2 | N-Sc | -3.10 |
| Ga-Sc | -1.33 | |
| Ga-O | -4.75 | |
| 具體例3 | N-Ga | -1.68 |
| Ga-O | -4.75 |
由前述具體例1至3可以得知，本案通過計算在該異質材料1於接合面可能形成之每一鍵結組合的總焓值，並利用總焓值得到穩定性最高的鍵結組合，以預測該異質接面結構13。相較於習知利用計算異質薄膜的黏附力(即兩異質薄膜接合與分離所需的能量差)或是計算不同厚度之異質薄膜的能量差取得界面能，再以此推估界面結構等複雜運算來推測該異質接面結構13的方法，本案的預測方法僅需列出所有可能形成的鍵結組合，並利用第一原理直接計算該等鍵結組合的總焓值，即可預測該異質材料1可能形成的異質結面結構13，因此更為簡便且有利於相關領域的業界運用於材料研發中。
綜上所述，本發明異質材料之接合面結構的預測方法，利用第一原理計算該異質材料1的第一組成物11與第二組成物12之接合面可能形成的每一種鍵結組合的總焓值，其總焓值越低，構成的異質接面結構13越穩定，因此只需比較計算得到的每一鍵結組合的總焓值，即可預測出該異質接面結構13的鍵結結構，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1:異質材料
11:第一組成物
12:第二組成物
13:異質接面結構
21:鍵結組合取得步驟
22:鍵焓取得步驟
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：
圖1是一流程圖，說明本發明異質材料之接合面結構的預測方法的一實施例；及
圖2是一示意圖，說明該實施例的一異質材料。
21:鍵結組合取得步驟
22:鍵焓取得步驟
Claims (3)
- 一種異質材料之接合面結構的預測方法，用以預測一具有一第一組成物及一第二組成物的異質材料，該第一組成物與該第二組成物的接合面形成的異質接面結構，包含： 一鍵結組合取得步驟，列出該第一組成物與該第二組成物的的原子種類可能形成的多個鍵結組合，其中，每一鍵結組合具有至少一雙原子分子鍵結，且該至少一雙原子分子鍵結分別來自該第一組成物的原子及該第二組成物的原子；及 一鍵焓取得步驟，計算取得每一鍵結組合的所有鍵結的總焓值，利用該等總焓值預估得到該異質接面結構可能形成的鍵結組合。
- 如請求項1所述的異質材料之接合面結構的預測方法，其中，該鍵焓取得步驟的該每一鍵結組合的總焓值是該每一鍵結組合為氣相時的鍵焓總和。
- 如請求項1所述的異質材料之接合面結構的預測方法，其中，該鍵焓取得步驟是通過以密度泛函理論為基礎的第一原理計算，或實驗量測方式取得每一鍵結組合的總焓值。
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|---|---|---|---|---|
| US20050027458A1 (en) * | 2003-05-13 | 2005-02-03 | Merz Kenneth M. | Quantum mechanics based method for scoring protein-ligand interactions |
| US20100273664A1 (en) * | 2006-10-27 | 2010-10-28 | Bayer Cropscience Ag | Method For The Determination Of Intra- And Intermolecular Interactions In Aqueous Solution |
-
2020
- 2020-12-14 TW TW109144059A patent/TWI760967B/zh active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050027458A1 (en) * | 2003-05-13 | 2005-02-03 | Merz Kenneth M. | Quantum mechanics based method for scoring protein-ligand interactions |
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| US20120202699A1 (en) * | 2006-10-27 | 2012-08-09 | Universitaet Hamburg | Method For The Determination Of Intra- And Intermolecular Interactions In Aqueous Solution |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202223719A (zh) | 2022-06-16 |
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