本发明涉及n型磷掺杂金刚石薄膜领域，尤其涉及一种n型磷掺杂金刚石薄膜中去除氢杂质的仿真方法。
背景技术：
金刚石薄膜作为半导体材料具有高载流子迁移率(1000cm2/(v·s))、高介质击穿电场(5～10mv/cm)、高热导率(20w/(k·cm))以及宽禁带(5.47ev)等优点，使得其在电子工业领域有着极大的应用潜力。但由于室温情况下金刚石薄膜电导率过低，限制了其在电子工业领域的应用。在金刚石薄膜中掺杂施主元素，可得到高电导率的n型金刚石薄膜，对实现其在场致发射显示器、半导体器件、电化学等领域的应用具有重大的科学意义。
磷元素是n型金刚石薄膜中唯一普遍认可用来获得室温n型电导的施主，具有较低的施主能级(0.2～1.09ev)。但是n型磷掺杂金刚石薄膜的载流子浓度和迁移率都随着磷元素浓度的增加而降低，这与金刚石薄膜中的氢元素含量较多有关。在n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中，会有非金刚石碳相的形成，氢气电离形成的原子氢对于刻蚀非金刚石碳相和稳定金刚石相具有重要的作用。但是氢元素的负面作用是会在n型金刚石薄膜中与磷元素以磷氢键形式结合，钝化了施主杂质，降低了金刚石薄膜的导电性能。因此，研究n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢元素对改善n型金刚石薄膜的电学性能、提高其工业应用价值具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对目前n型磷掺杂金刚石薄膜中氢元素杂质影响金刚石薄膜电学性能的问题，提出一种n型磷掺杂金刚石薄膜断裂磷氢键的仿真方法，在此基础上，进一步计算出能够去除n型磷掺杂金刚石薄膜中的氢元素杂质的飞秒激光强度、频率以及温度值的范围。
本发明所设计的一种n型磷掺杂金刚石薄膜中去除氢杂质的仿真方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
s1：建立掺杂氢原子的n型磷掺杂金刚石薄膜(001)面、(111)面的两种表面模型，其中，金刚石层中磷原子以替位原子形式掺杂，氢原子与磷原子形成磷氢键；
s2：根据密度泛函理论，对n型金刚石薄膜(001)面、(111)面的两种表面模型分别进行第一性原理计算，得到基态电子密度与波函数；
s3：对n型金刚石薄膜(001)面、(111)面的两种表面模型分别进行结构优化，得到表面模型结构优化后的晶格常数、键长、键角与原子位置；
s4：对结构优化后的两种表面模型分别施加飞秒激光场，根据含时密度泛函理论进行第一性原理计算，设置不同激光的强度、频率参数，计算出碳碳键、碳磷键未被光子激发到激发态，而磷氢键被光子激发到激发态情况下激光的强度、频率参数范围；
s5：在s4步骤中获得的激光的强度、频率参数范围内，对磷氢键已被激发到激发态的两种表面模型分别施加温度场，进行第一性原理分子动力学计算，得到使得磷氢键断裂，而碳碳键与碳磷键未断裂的温度范围值。
进一步地，所述步骤s1中的表面模型包含两层，上层为真空层，下层为金刚石层，每层厚度为具体工艺中每层生长的金刚石厚度。其中，(001)面、(111)面两种表面模型均只有一个替位磷原子杂质，相应的只有一个氢原子与其形成磷氢键；磷原子的替位位置在金刚石层的第一层中的碳原子，金刚石层的底部的碳原子采用位置固定处理。
进一步地，所述步骤s2具体过程为：对n型金刚石薄膜(001)面、(111)面的两种表面模型均采用monkhorst-pack方法进行k空间网格划分，选取磷、氢、碳原子的赝势为超软赝势，采用广义梯度近似(generalizedgradientapproximation)交换关联泛函，设置自洽精度后迭代求解kohn-sham方程，得到基态电子密度与波函数。
进一步地，所述步骤s3具体过程为：基于基态表面模型，以模型的总能量最小化为求解目标，求解得到两种表面模型的所有晶格常数、键长、键角与原子位置。
进一步地，所述步骤s4通过octopus软件来执行，其施加的激光场的极化方向垂直于模型表面。
进一步地，所述步骤s5中，分子动力学计算方法采用蛙跳-verlet算法，使用郎之万控温器(langevinthermostat)对正则系统下表面模型进行温度的控制。
本发明的优点在于：
本发明研究n型磷掺杂金刚石的飞秒激光场与温度场去除氢杂质方法，通过第一性原理和分子动力学仿真的手段，对n型金刚石薄膜表面模型施加激光场与温度场，计算出能够断裂磷氢键并去除氢杂质的飞秒激光的强度、频率以及温度的范围值，为降低了n型磷掺杂金刚石的氢含量提供有效方法，改善n型磷掺杂金刚石的电学性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种n型磷掺杂金刚石薄膜中去除氢杂质的仿真方法的步骤图；
图2为本发明实施例提供的磷氢键价电子能级图；
图3为本发明实施例提供的碳磷键价电子能级图；
图4为本发明实施例提供的碳碳键价电子能级图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢元素对改善n型金刚石薄膜的电学性能、提高其工业应用价值具有重要的意义。因此设计的n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法，通过在n型磷掺杂金刚石薄膜的制备过程中施加飞秒激光与温度场，仅断裂n型磷掺杂金刚石薄膜中的磷氢键，去除薄膜中的氢元素，进而改善n型磷掺杂金刚石的电学性能。为了确定飞秒激光的强度、频率，温度场的温度值范围。如图1所示，本发明实施例提供的一种n型磷掺杂金刚石薄膜中去除氢杂质的仿真方法，根据含时密度泛函与分子动力学理论，对n型磷掺杂金刚石薄膜模型进行第一性原理与分子动力学计算，模拟出激光场、温度场下模型中的价电子的光子吸收、价电子跃迁、化学键断裂，在此基础上，进一步提出了去除n型磷掺杂金刚石薄膜中的氢元素杂质的方法，该方法包括以下步骤：
s1：建立掺杂氢原子的n型磷掺杂金刚石薄膜(001)面、(111)面的两种表面模型。金刚石层中磷原子以替位原子形式掺杂，氢原子与磷原子形成磷氢键。
s2：根据密度泛函理论，对n型金刚石薄膜(001)面、(111)面的两种表面模型分别进行第一性原理计算，得到基态电子密度与波函数。
s3：对n型金刚石薄膜(001)面、(111)面的两种表面模型分别进行结构优化，得到表面模型结构优化后的晶格常数、键长、键角与原子位置。
s4：对结构优化后的两种表面模型分别施加飞秒激光场，根据含时密度泛函理论进行第一性原理计算，设置不同激光的强度、频率参数，计算出碳碳键、碳磷键未被光子激发到激发态，而磷氢键被光子激发到激发态情况下激光的强度、频率参数范围。
s5：在s4步骤中获得的激光的强度、频率参数范围内，对磷氢键已被激发到激发态的两种表面模型分别施加温度场，进行第一性原理分子动力学计算，得到使得磷氢键断裂，而碳碳键与碳磷键未断裂的温度范围值。
进一步地，所述步骤s1中，所述n型磷掺杂金刚石薄膜表面模型通过例如materialsstudio软件建立，n型磷掺杂金刚石薄膜表面模型包含两层，上层为真空层，下层为金刚石层。所述磷掺杂金刚石层的厚度为具体工艺中每层生长的金刚石厚度。所述(001)面n型金刚石表面模型中的金刚石层为(001)面金刚石结构，所述(111)面n型金刚石表面模型中的金刚石层为(111)面金刚石结构。所述两种表面模型均只有一个替位磷原子杂质，相应的只有一个氢原子与其形成磷氢键。磷原子的替位位置在金刚石层的第一层中的碳原子，金刚石层的底部的碳原子采用位置固定处理，排除金刚石底部结构对表面的影响。
进一步的，所述步骤s2具体包括：第一性原理计算通过例如octopus软件进行计算，对n型金刚石薄膜(001)面、(111)面的两种表面模型均采用monkhorst-pack方法进行k空间网格划分，选取磷、氢、碳原子的赝势为超软赝势，采用广义梯度近似(generalizedgradientapproximation)交换关联泛函，设置自洽精度后迭代求解kohn-sham方程，得到基态电子密度与波函数。
进一步的，所述步骤s3中具体包括：所述结构优化是通过例如octopus软件进行计算，基于基态表面模型，以模型的总能量最小化为求解目标，求解得到两种表面模型的所有晶格常数、键长、键角与原子位置。
进一步的，所述步骤s4具体包括：含时密度泛函理论第一性原理计算是通过例如octopus软件来执行，所述施加的激光场的极化方向垂直于模型表面，表明施加的飞秒激光为垂直表面入射至模型。
进一步的，所述步骤s5中具体包括：第一性原理分子动力学计算是通过例如atomicsimulationenvironment软件执行，所述分子动力学计算方法采用蛙跳-verlet算法，使用郎之万控温器(langevinthermostat)对正则系统下表面模型进行温度的控制。
如图2、图3和图4所示，h为普朗克常数，e11为磷氢键价电子激发态能量，e10为磷氢键价电子基态能量，e21为碳磷键价电子激发态能量，e20为碳磷键价电子基态能量，e31为碳碳键价电子激发态能量，e30为碳碳键价电子基态能量，磷氢键价电子从基态至激发态所需光子能量为hγ1＝e11-e10，γ1为激光频率，碳磷键价电子从基态至激发态所需光子能量为hγ2＝e21-e20，碳碳键价电子从基态至激发态所需光子能量为hγ3＝e31-e30，γ1与γ2的值不相同，γ1与γ3的值不相同，因此在含时密度泛函理论计算中，施加飞秒激光场的频率值约为γ1、不同于γ2与γ3的值，即可将磷氢键被激发到激发态，而碳碳键、碳磷键未被激发到激发态。当磷氢键已经被激发到激发态，而碳磷键、碳碳键仍为基态时，磷氢键键长增大、键能降低，磷氢键变弱。
在第一性原理分子动力学计算中，施加温度场时，将磷氢键断键所需的动能远小于碳磷键与碳碳键的断键能量，因此磷氢键可以在不破坏碳碳键与碳磷键的前提下断裂，进而氢元素将从金刚石层中脱离。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。