Due to the wide application of silica based systems ranging from microelectronics to nuclear waste disposal, detailed knowledge of water-silica interactions plays an important role in understanding fundamental processes, such as glass corrosion and the long term reliability of devices. In this dissertation, atomistic computer simulation methods have been used to explore and identify the mechanisms of water-silica reactions and the detailed processes that control the properties of the water-silica interfaces due to their ability to provide atomic level details of the structure and reaction pathways. The main challenges of the amorphous nature of the silica based systems and nano-porosity of the structures were overcome by a combination of simulation methodologies based on classical molecular dynamics (MD) simulations with Reactive Force Field (ReaxFF) and density functional theory (DFT) based ab initio MD simulations. Through the development of nanoporous amorphous silica structure models, the interactions between water and the complex unhydroxylated internal surfaces identified the unusual stability of strained siloxane bonds in high energy ring structure defects, as well as the hydroxylation reaction kinetics, which suggests the difficulty in using DFT methods to simulate Si-O bond breakage with reasonable efficiency. Another important problem addressed is the development of silica gel structures and their interfaces, which is considered to control the long term residual dissolution rate in borosilicate glasses. Through application of the ReaxFF classical MD potential, silica gel structures which mimic the development of interfacial layers during silica dissolution were created A structural model, consisting of dense silica, silica gel, and bulk water, and the related interfaces was generated, to represent the dissolution gel structure. High temperature evolution of the silica-gel-water (SGW) structure was performed through classical MD simulation of the system, and growth of the gel into the water region occurred, as well as the formation of intermediate range structural features of dense silica. Additionally, hydroxylated silica monomers (SiO4H4) and longer polymerized silica chains were formed in the water region, indicating that glass dissolution is occurring, even at short time frames. The creation of the SGW model provides a framework for a method of identifying how interfacial structures which develop at glass-water interfaces can be incorporated into atomistic models for additional analysis of the dissolution of silicates in water.

Siliziumnanodrähte (SiNWs) bieten eine aussichtsreiche Grundlage zur Entwicklung neuartiger nanoelektronischer Bauelemente, wie Feldeffekttransistoren oder Sensoren. Dabei ist insbesondere die Oxidation der Drähte interessant, weil diese weitreichenden Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften der Bauelemente hat, die aus den SiNWs gefertigt werden. Die Größe der untersuchten Strukturen erfordert eine atomistische Analyse des Oxidationsprozesses. In der vorliegenden Arbeit wird der bisher wenig verstandene Beginn der Oxidation dünner Drähte molekulardynamisch simuliert, wobei als Potential ein reaktives Kraftfeld dient. Dabei wird sich intensiv mit dem Transfer elektrischer Ladungen zwischen Atomen unterschiedlicher Elektronegativitäten während der Simulationen auseinandergesetzt. Desweiteren werden Strukturen, die während der Oxidation von SiNWs der Orientierungen <100> und <110> bei Temperaturen von 300 K und 1200 K entstehen, untersucht. Ein Fokuspunkt dieser Untersuchungen ist die Analyse der Anzahl am Draht adsorbierter Sauerstoffatome während der frühen Oxidationsphase. Darüber hinaus wird die Dichte der entstehenden Strukturen beleuchtet. Dies geschieht mit einer hohen radialen Auflösung und erstmalig während der gesamten Simulation. Hierbei zeigt sich, dass während des Übergangs von kristallinem Silizium zu amorphem Siliziumdioxid zwischen den Siliziumatomen Sauerstoff eingelagert wird, die Kristallstruktur des Siliziums sich zunächst jedoch noch nicht auflöst. Dadurch entsteht ein charakteristisches Muster hoher und niedriger Dichten, das von der ursprünglichen Kristallstruktur des SiNW abhängt.

Siliziumnanodrähte (SiNWs) bieten eine aussichtsreiche Grundlage zur Entwicklung neuartiger nanoelektronischer Bauelemente, wie Feldeffekttransistoren oder Sensoren. Dabei ist insbesondere die Oxidation der Drähte interessant, weil diese weitreichenden Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften der Bauelemente hat, die aus den SiNWs gefertigt werden. Die Größe der untersuchten Strukturen erfordert eine atomistische Analyse des Oxidationsprozesses. In der vorliegenden Arbeit wird der bisher wenig verstandene Beginn der Oxidation dünner Drähte molekulardynamisch simuliert, wobei als Potential ein reaktives Kraftfeld dient. Dabei wird sich intensiv mit dem Transfer elektrischer Ladungen zwischen Atomen unterschiedlicher Elektronegativitäten während der Simulationen auseinandergesetzt. Desweiteren werden Strukturen, die während der Oxidation von SiNWs der Orientierungen <100> und <110> bei Temperaturen von 300 K und 1200 K entstehen, untersucht. Ein Fokuspunkt dieser Untersuchungen ist die Analyse der Anzahl am Draht adsorbierter Sauerstoffatome während der frühen Oxidationsphase. Darüber hinaus wird die Dichte der entstehenden Strukturen beleuchtet. Dies geschieht mit einer hohen radialen Auflösung und erstmalig während der gesamten Simulation. Hierbei zeigt sich, dass während des Übergangs von kristallinem Silizium zu amorphem Siliziumdioxid zwischen den Siliziumatomen Sauerstoff eingelagert wird, die Kristallstruktur des Siliziums sich zunächst jedoch noch nicht auflöst. Dadurch entsteht ein charakteristisches Muster hoher und niedriger Dichten, das von der ursprünglichen Kristallstruktur des SiNW abhängt.:Abbildungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Einführung zu Siliziumnanodrähten 2.1 Kristallstuktur von Silizium 2.2 Ideale Siliziumnanodrähte 2.3 Herstellung von Siliziumnanodrähten 3 Grundlagen der Molekulardynamik 3.1 Newtonsche Axiome 3.2 Einige grundlegende Begriffe der statistischen Physik 3.3 Molekulardynamik 3.4 Reaktives Kraftfeld 3.5 Methoden zur Beschreibung des Ladungstransfers 3.6 Thermostat und Barostat 3.7 Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator 4 Entwicklung des Modellsystems 4.1 Ausgangsstruktur 4.2 Vorrelaxation 4.3 Ablauf der Oxidation 4.4 Verwendeter ReaxFF-Parametersatz 4.5 Optimierung der Zeitschrittweite 4.5.1 Modellsystem, Relaxation und Oxidation 4.5.2 Festlegung der Zeitschrittweite 4.6 Optimierung der Systemlänge 4.6.1 Modellsystem, Relaxation und Oxidation 4.6.2 Festlegung der Systemlänge 4.7 Einfluss des globalen, instantanen Ladungstransfers auf die Simulation 4.7.1 Festlegung des Einsetzabstands 4.7.2 Vergleich mit Daten von Khalilov et al. 5 Variation von System- und Einsetztemperatur sowie Drahtorientierung 5.1 Variation von System- und Einsetztemperatur 5.1.1 Untersuchung des Oxidationsgrads 5.1.2 Untersuchung von Dichten und Grenzflächenpositionen 5.2 Variation der Drahtorientierung 5.2.1 Untersuchung des Oxidationsgrads 5.2.2 Untersuchung von Dichten und Grenzflächenpositionen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis

Siliziumnanodrähte (SiNWs) bieten aufgrund ihrer exzellenten elektrostatischen Kontrollierbarkeit eine gute Grundlage für die Entwicklung neuartiger Bauelemente, wie rekonfigurierbarer Feldeffekttransistoren (RFETs). Da SiNWs durch die Oxidation gezielt verzerrt werden können und diese Verzerrung die Bandstruktur des Siliziums verändert, bietet der Oxidationsprozess eine Möglichkeit, die Leitungseigenschaften der RFETs zu modulieren und eine symmetrische Transfercharakteristik zu erhalten. Die Untersuchung von SiNWs mit Durchmessern im einstelligen Nanometerbereich bedarf eines atomistischen Ansatzes. In der vorliegenden Arbeit wird mit einem reaktiven Kraftfeld die initiale Phase der Oxidation dünner SiNWs molekulardynamisch simuliert. Gegenstand der Untersuchungen sind die Temperaturabhängigkeit der Oxidation von <110>-SiNWs mit Anfangsradien von 10.2 Å sowie das Oxidationsverhalten von <110>- und <100>-SiNWs mit Anfangsradien von 5.1 Å. Dabei wird neben dem Sauerstoffanteil im Simulationssystem und der radial aufgelösten Dichte auch das radial aufgelöste Verhältnis zwischen Sauerstoff- und Siliziumatomen während der gesamten Simulationsdauer untersucht und ein Zusammenhang zur Dichte festgestellt. Darüber hinaus wird bei 300 K erstmals eine Analyse der Verzerrungsentwicklung während der initialen Oxidationsphase durchgeführt, bei der sich sowohl für <110>-SiNWs als auch für <100>-SiNWs eine tensile Verzerrung im unoxidierten Drahtkern einstellt. Wie eine Analyse der partiellen radialen Verteilungsfunktion zeigt, kommt es zu dieser Verzerrung, weil während der Oxidation die Grundstruktur des Siliziums im Oxid erhalten bleibt, durch die Einlagerung des Sauerstoffs allerdings der Bindungsabstand erhöht wird. Dieser erhöhte Bindungsabstand wird durch Bindungen zu Siliziumatomen im Oxid auch Siliziumatomen im unoxidierten Kern aufgezwungen.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen 2.1. Molekulardynamik 2.2. Siliziumnanodrähte 2.3. Verzerrung und Verspannung 3. Modellsystem 3.1. Ausgangsstruktur 3.2. Vorrelaxation 3.3. Ablauf der Oxidation 4. Untersuchungsmethoden 4.1. Sauerstofffluenz, Oxidationsgrad und Oxidationsrate 4.2. Massendichte und Siliziumanteil 4.3. Radiale Verteilungsfunktion 4.4. Verzerrung 4.4.1. <110>-Draht 4.4.2. <100>-Draht 5. Ergebnisse und Diskussion 5.1. Festlegung des Einsetzintervalls 5.2. Temperaturvariation 5.2.1. Oxidationsgrad 5.2.2. Siliziumanteil 5.2.3. Massendichte 5.2.4. Radiale Verteilungsfunktion 5.3. Radius- und Orientierungsvariation 5.4. Verzerrung 6. Zusammenfassung und Ausblick 6.1. Zusammenfassung 6.2. Ausblick A. Festlegung des Einsetzintervalls Literaturverzeichnis