Computersimulation von Fullerengläsern

Transkript

1 XXVII. (14.) Arbeitstagung Modellierungen von Strukturen und Strukturbildungsprozessen in nichtkristallinen Materialien 28. bis 3. August 26, Wolfesdorf Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden Computersimulation von Fullerengläsern K. Zagorodniy, H. Hermann 29. August 26 1

2 Inhalt Einleitung Software-Tools Modell der Fullerengläser Eigenschaften der Fullerengläser Strukturelle Eigenschaften Dielektrische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Zusammenfassung Aussicht 2

3 Einleitung: Eigenschaften der Fullerengläser Interessante optische und elektronische Eigenschaften Frequenz Filterung Thermisch und optisch stabil Können zu silica gel Netzwerken vereinigt werden Es können große rissfreie Monolithe erzeugt werden 3

4 Einleitung: Warum neue Materialien? Materialen k-wert Polyimides Hydrogen SilsesQuioxane (HSQ) Methyl SilsesQuioxane (MSQ) Diamond-like Carbon (DLC) Black Diamond (SiCOH) Porous HSQ Porous MSQ RC = 2ρkεL P T RC delay (Signalverzögerung) Eine Reihe von low-k Materialien mit noch zu hohem k 4

5 Einleitung: Moorsche Gesetz Quelle: Interlayer Dielectrics for Senmiconductor Technologies Edited by: S.P. Murarka, M. Eizenberg, A.K. Sinha 5

6 Software-Tools & Methode HyperChem 7.51 ( Molekülbau Geometrieoptimierung DFT Polarisierbarkeitsberechnungen Semiempirische Methode demon Density Functional Tight Binding (DF TB) Methode Molekulare and periodische Darstellung DFTB Geometrieoptimierung DFTB Molekulardynamik Molekulare Mechanik Dichtefunktionaltheorie (DFT) Strukturoptimierung 6

7 Modell der Fullerengläser Fluorierte Fullerene Struktureinheit: Fullerene verbunden durch Brückenmoleküle C 6 3D Netzwerk mit diamantähnlicher Struktur 7

8 Strukturelle Eigenschaften der Bausteine Distance, Å n Density, g/cm n Lattice parameter, Å n Density, g/cm n 8

9 Clausius-Mossotti Modell 2 Hauptwege, um k zu reduzieren: Senken der molekularen Polarisierbarkeit α Senken der Anzahldichte N V 9

10 Dielektrische Eigenschaften der Bausteine 4.5 Dielectric constant, k n 4.5 Dielectric constant, k Dielektrische Konstante des Netzwerks (mit diamantähnlicher Struktur) für n = 4: k = 1.48 n 1

11 Mechanische Eigenschaften: Methode [ C ( e + e + e ) + C ( e + e + e ) + C ( e e + e e e e )] 1 U = D h D t D o 1+ δ/ 3 = = 1 1 = δ + δ δ 1 1+ δ/ δ (1 δ 1+ δ/ 3 (1 + δ ) 2 ) 1 2 Elastizitätskonstanten: C + C 2at 11 = 2a h 9 at 12 = 2a h 9 C = 44 DFTB Total Energy(Hartree) a o 2 Kompressionsmodul: Schubmodul: B = 2a h C ' = Variation of the strain energyfor hydrostatic deformation δ at Deformation δ 11

12 Mechanische Eigenschaften C 6 (C 2 H 4 ) 3 C 6 (C 4 H 8 ) Energy, Hartree Energy, Hartree Deformation δ Deformation δ a = b = c= Å a = b = c= Å α= β = γ =9º B = 5 GPa α= β = γ =9º B =.41 GPa 12

13 Mechanische Eigenschaften Netzwerke mit einfacher kubischer Struktur Molekül C6(C2H4)3 C6C2F4(C2H4)2 C6(C2F4)3 a, Å ρ, g/cm Molekulargewicht, M V M, cm 3 /mol R M k B, GPa k ist 3% besser und B ist 2 % besser für C 6 (C 2 F 4 ) 3, als für C 6 (C 2 H 4 ) 3 13

14 Zusammenfassung Mechanische Eigenschaften der Fullerengläser für C 6 C n H 2n C 6, n = 2 (einfache kubische Struktur) B = 5GPa genügen Anforderungen der mikroelektronischen Industrie. Manuskript ist in Vorbereitung. Ersetzen von (C 2 H 4 ) durch (C 2 F 4 ) Teflon: bis zu 2% Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (Kompressionsmodul Verlängerung der Brückenmoleküle führt zu Verringerung von Dichte und k- Wert, aber reduziert auch die mechanische Stabilität: n = 4; k = 1.7; B =.4 GPa Fullerengläser mit Diamantstruktur haben Werte von k < 2. (in Arbeit) 14

15 Aussicht Berechnung der mechanischen Eigenschaften für Fullerengläser mit Diamantstruktur Simulation von C 6 C n H 2n C 6 auf Si-Schicht Bessere Beschreibung für die dielektrische Konstante k in Abhängigkeit der molekularen Polarisierbarkeit α Norbornenes-Strukturen als Brückenmoleküle Phenylgruppen als Brückenmoleküle Phasendiagramm für Fullerennetzwerke 15

16 Literaturverzeichnis A. Touzik, H. Hermann, K. Wetzig, Phys. Rev. B 66 (22) A. Touzik, H. Hermann, P. Janda, L. Dunsch, K. Wetzig, Europhys. Lett. 6 (22) 411. A. Touzik, H. Hermann, K. Wetzig, J. Chem. Phys.12 (24) H. Peng et al., J. Sol-Gel Sci. Technol. 22 (21) 25. H. Hermann et al. Microelectronic Engng. 82 (25) 387. K. Zagorodniy, M. Taut, H. Hermann, Phys. Rev. A 73 (26)

17 Die Arbeit ist Bestandteil des gemeinsamen ULK Verbundprojektes IFW Dresden Dr. Helmut Hermann Dipl.-Phys. Kostyantyn Zagorodniy Dr. Manfred Taut AMD Saxony Dr. E. Zschech Dr. H.-J. Engelmann Institut für Physikalische Chemie, TU Dresden Prof. G. Seifert Gefördert durch: EU und Freistaat Sachsen (SAB/Sachsen) 17

18 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 18