Get started
Work

Computational Study of Amorphous Boron Nitride Compounds

Year: 2026
Type: dissertation
Abstract: Les limitacions de rendiment imposades per les interconnexions en la microelectrònica escalada fan necessaris nous materials que ofereixin tant constants dielèctriques ultrabaixes com capacitats robustes de barrera de difusió a gruixos nanomètrics. El nitrur de bor amorf (α-BN) mostra un potencial experimental significatiu, però la seva integració es veu dificultada per una comprensió incompleta de com les condicions de creixement governen l'estructura a escala atòmica i, en conseqüència, afecten el rendiment. Aquesta tesi aborda aquestes qüestions mitjançant simulacions atomístiques a gran escala, emprant principalment potencials interatòmics basats en aprenentatge automàtic mitjançant l'enfocament Gaussian Approximation Potential. Aquests potencials es van desenvolupar per a compostos d'α-BN, incorporant interaccions rellevants amb contaminants habituals (carboni, hidrogen i oxigen) i amb la metal·lització de coure, i es van entrenar sobre un conjunt de dades extens de teoria del funcional de la densitat. Mitjançant dinàmica molecular, en particular simulacions melt-quench per capturar cinètiques de creixement variables, aquest treball estableix que la morfologia de l'α-BN existeix al llarg d'un espectre de desordre estructural que està controlat de manera sistemàtica per condicions de creixement com ara la velocitat de refredament, l'estequiometria i la incorporació de contaminants. Es van identificar i quantificar sistemàticament descriptors estructurals clau, incloent-hi la densitat de massa, l'enllaç homonuclear i els defectes de coordinació. L'estudi demostra que aquestes característiques morfològiques determinen propietats funcionals clau. Les estructures amb una densitat més alta, menys defectes de coordinació i un enllaç homonuclear reduït presenten de manera consistent una estabilitat tèrmica superior, propietats mecàniques millorades, una conductivitat tèrmica millorada i constants dielèctriques més baixes. A més, la tesi revela els mecanismes atomístics que governen la degradació en condicions rellevants per al funcionament dels dispositius. La degradació oxidativa avança a través de rutes dependents de l'estructura, on les pel·lícules amorfes més denses i relaxades exhibeixen reaccions limitades a la superfície, mentre que les pel·lícules menys relaxades i riques en defectes pateixen una degradació en volum iniciada als enllaços homonuclears i facilitada per la pèrdua de nitrogen. Aquests resultats s'alineen amb les tendències experimentals observades a la Université Claude Bernard Lyon 1 a França i a The Australian National University a Austràlia. En paral·lel, les simulacions de la difusió de coure van identificar mecanismes de fallada que impliquen l'estovament tèrmic de regions riques en defectes, la formació posterior de buits i la penetració final de coure a través de trajectòries interconnectades, juntament amb la migració de B i N cap a la capa metàl·lica. Els experiments de barrera realitzats per col·laboradors d'UNIST, SKKU i Samsung (Corea del Sud) van confirmar la dependència prevista de l'efectivitat de la barrera respecte de l'estructura i el gruix de la pel·lícula. Aquesta tesi proporciona una comprensió unificada del comportament de l'α-BN impulsada per la morfologia, establint vincles clars entre les condicions de creixement, l'estructura i el rendiment. Ofereix una comprensió mecanicista de les rutes de degradació i identifica objectius estructurals clau per a l'optimització racional de l'α-BN com a material multifuncional en interconnexions avançades i altres aplicacions nanoelectròniques.
Language: English
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7127783940
Cites:
Cited by:
Related to: