镍(1 1 1)表面碳纳米管早期成核过程的密度泛函理论研究及其在互连技术中的应用

【编辑推荐】为突破传统铜互连在集成电路微缩化中的性能瓶颈，上海大学团队通过密度泛函理论(DFT)系统研究了Ni(1 1 1)表面C2 -C6 碳簇的成核动力学，发现C3 具有最低扩散势垒(0.32 eV)，揭示了化学气相沉积(CVD)过程中碳纳米管(CNTs)的初始生长机制，为低温可控生长半导体级CNT互连材料提供了理论依据。

　　

随着集成电路特征尺寸逼近物理极限，传统铜互连面临电阻骤增、电迁移加剧等严峻挑战。碳纳米管(CNTs)因其纳米级直径和超高电导率被视为理想替代材料，但化学气相沉积(CVD)法制备时存在手性控制难、生长温度高等瓶颈问题。镍催化剂因其晶格参数与石墨烯高度匹配，在CNT生长中展现出独特优势，但原子尺度的成核机制尚不明确。

上海大学微电子学院团队在《Surface Science》发表研究，采用密度泛函理论(DFT)结合线性组合原子轨道(LCAO)方法，系统模拟了Ni(1 1 1)表面C₂
-C₆
碳簇的成核过程。通过广义梯度近似(GGA)计算吸附能、过渡态搜索确定扩散路径，首次揭示了碳簇动态行为对CNT生长的决定性影响。

Calculation method
研究采用QuantumATK软件进行DFT计算，交换关联泛函选用修正的PBE-GGA，基组采用双zeta极化(DZP)级别。表面模型构建为4层Ni(1 1 1)超胞，真空层厚度>15 ?。通过爬坡弹性带(NEB)方法计算扩散势垒，能量收敛标准设为1×10^-5
Ha/atom。

Results and discussion

1. 碳簇稳定性：C₃
   在fcc位点吸附能达-7.21 eV，比C₂
   (-6.54 eV)更稳定。C₅
   五元环构型比线性结构能量低0.87 eV，预示五元环可能是CNT帽层前驱体。
2. 扩散动力学：C₃
   在相邻fcc位点间扩散势垒仅0.32 eV，显著低于C₂
   (0.58 eV)和C₄
   (0.41 eV)，表明其表面迁移能力最强。
3. 成核路径：C₂
   +C→C₃
   反应能垒为1.12 eV，而C₃
   +C→C₄
   降至0.76 eV，证实小碳簇更易通过C₃
   介导实现链增长。

Conclusion
该研究首次阐明Ni(1 1 1)表面碳纳米管成核遵循"C₃
主导"机制：C₃
簇兼具高稳定性和低扩散势垒的特性，成为连接单碳原子与更大碳簇的关键中间体。这一发现为优化CVD工艺参数（如降低生长温度至500-600℃）提供了理论指导，通过促进C₃
生成有望实现半导体兼容的CNT低温生长。研究还建立了碳簇尺寸与扩散势垒的定量关系，为后续设计W₆
Co₇
等多元催化剂的手性控制策略奠定基础。

重要意义

1. 理论层面：填补了CNT初始成核阶段动力学参数的空白，完善了"表面碳簇自组装"生长理论。
2. 应用层面：为开发低温、定向生长的CNT互连技术指明方向，推动后摩尔时代集成电路向3D集成和异质结器件发展。
3. 方法论：建立的DFT计算框架可拓展至其他过渡金属催化剂(如Fe、Co)体系的研究。