薄膜生长的计算机模拟

薄膜技术在现代科技领域中有着广泛的应用。人们对薄膜的生长过程通过理论和实验进行了深入的研究，其中计算机模拟是重要的方法，本文概述了对薄膜生长过程的实验观察结果及其理论分析，主要讨论了薄膜生长的计算机模拟中经常采用的方法-蒙特卡罗法和分子动力学方法、描述衬底上成膜粒子运动的一些模型以及在计算机模拟中需注意的一些问题，其中主要包括粒子间的相互作用，入射粒子的能量和粒子上的衬底上的扩散运动。     

基片上薄膜生长过程的计算机模拟

根据薄膜的成核统计理论,考虑吸附粒子的碰撞、迁移、蒸发等因素,针对薄膜单层和多层核生长类型的生长,用计算机进行仿真模拟.同时研究了几种因素对粒子沉积成膜的影响.根据计算机模拟情况,得出了粒子百分变化与成团粒子百分变化关系、生长过程对粒子沉积成膜的影响.论证了按成核理论下的随机统计规律生成的多层粒子膜,其厚度方面的不均匀性与实际是一致的.并给出了计算机模拟研究薄膜微观生长过程的立体图象.     

薄膜生长模型与计算机模拟

阐述了计算机模拟薄膜生长研究在纳米材料设计中的重要意义。通过最近多篇文献报道，归娄介绍了常见的薄膜生长模型、原理及方法，并详细对比了分子动力学、蒙特卡罗和量子力学3类方法、原理及应用特点。报道了国内外近几年薄膜生长模型与模拟的一些研究成果。结合不同的方法与原理，以分子动力学结合蒙特卡罗模型为重点，简要评述了这些模型及模拟特点，并提出了作者的一些见解。分析了多元化合物薄膜生长模拟的技术难点，指出了量子力学计算理论与方法同分子动力学、蒙特卡罗模型相结合的新型模型是解决这一难题的发展方向，展望了今后国内外的发展趋势。     

薄膜生长初期形貌的计算机模拟与改进

本文模拟了在低温基底上超薄膜沉积初期表面形貌。文章模拟多个沉积原子同时移动的生长过程，引入了宏观量沉积流量影响。在此基础上讨论了各向异性的影响作用，并改进了模型，修改了基底吸附位置的排列方式，从而获得了与实验结果更相近的图样。     

磁控溅射薄膜生长全过程的计算机模拟研究

本文通过建立多尺度模型,结合模拟了磁控溅射中溅射原子的产生、溅射原子的碰撞传输、以及最终成膜的全过程,研究了基板温度、溅射速率、磁场分布和靶材-基板间距对薄膜生长过程与薄膜性能的影响.模拟结果显示,提高基板温度或降低溅射速率都会增加初期生长阶段薄膜的相对密度;磁场对靶的利用率有显著的影响,而对薄膜最终形貌的影响不大;增大靶材-基板间距会降低薄膜的粗糙度.     

氧化物异质外延薄膜生长的计算机模拟

利用Monte Carlo方法分别模拟了在SrTiO3基底上沉积MgO薄膜和在MgO基底上沉积SrTiO3薄膜.模拟中,选取与实验中薄膜生长相近的参数条件,引入了新的参数扩散势垒,得到了在晶格正失配(张应力)和负失配(压应力)下薄膜生长的形貌图以及薄膜粗糙度的变化曲线图,分析了张应力和压应力对薄膜生长形貌的影响.模拟结果与文献报道的外延薄膜生长模式的实验观察结果一致.     

金属薄膜缺陷及生长模式的有限元模拟

为了从微观领域研究金属薄膜缺陷的形成和薄膜的初期生长模式,利用有限元法对金属薄膜沉积过程中的缺陷和生长模式进行了计算机模拟.以Pt原子为膜料粒子,采用刚性球入射到石墨基底,重点研究了在基底上形成的缺陷结果表明,在薄膜生长初期会形成"树桩"小岛,而当碳基底上沉积铂原子的能量值达到75 eV时,就有可能发生随机原子注入."树桩"小岛的形成使薄膜生长多为岛状生长机制,同时检验了有限元方法在微观领域中的合理性和适用性.     

薄膜生长的三维蒙特卡罗模型

构造三维蒙特卡罗模型,研究了六边形基底薄膜生长的过程.在模型中针对每个原子考虑了原子沉积、原子扩散及原子脱附三个动力学过程,并认为这三个过程是相互独立的,即在同一计算步长中三个过程依据各自的概率发生.经过生长过程可视化的结果表明,薄膜原子之间的相互作用能、基底温度和沉积速率对薄膜的生长方式有显著的影响.这一结论得到了实验的验证.     

Cu薄膜三维生长的Monte Carlo模拟

利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法模拟了Cu薄膜在四方基底上的三维生长过程。模型中考虑了三个主要的原子热运动过程:原子沉积、原子扩散、原子脱附,各过程发生的概率是由各运动的速率来决定的。讨论了基底温度、沉积速率及原子覆盖度对Cu薄膜的表面形貌及表面粗糙度的影响。模拟结果表明:随基底温度升高或沉积速率下降,岛的平均尺寸增大,数目减少,薄膜以层状生长方式生长;Cu薄膜表面粗糙度随温度的升高而减小,当基底温度处于某一临界温度之内时,表面粗糙度随沉积速率的变化很大,但当基底温度超过临界温度时,表面粗糙度随沉积速率的变化很小;薄膜的粗糙度与薄膜亚单层的形核密切相关。     

Ag-TCNQ金属/有机双层膜中的扩散机制

研究了用真空分层蒸镀法获得的金属/有机双层膜(Ag-TCNQ)中的层间扩散行为.根据Cu、Ag在与TCNQ形成络合物时表现出的相似性,建立了异质元素标志法,以Cu为标志元素,研究了金属有机络合物Ag-TCNQ形成过程中Ag扩散的微观机制.使用二次离子质谱(SIMS)分析了Cu、Ag元素在不同样品膜中的浓度分布及变化情况.结果表明,不同于纯金属薄膜中Cu、Ag清晰的界面,在络合物中的Cu与Ag之间存在交叉,说明两种离子之间存在着交换现象.由此可以推断,薄膜中的扩散机制是Ag离子在Ag-TCNQ络合物中的换位扩散.     

Kinetic Monte Carlo simulation of Cu thin film growth

A three-dimensional kinetic Monte Carlo technique has been developed for simulating the growth of thin Cu films. The model involves incident atom attachment, surface diffusion of the atoms on the growing surface and atom detachment from the growing surface. A significant improvement in calculation of activation barriers for the surface atom diffusion on the growing film was made. The related effects caused by surface atom diffusion were taken into account. The results showed that there exist a transition temperature T_t at a certain deposition rate. When the substrate temperature approaches T_t, the growing surface becomes smoother and the relative density of the films increases. The surface roughness minimizes and the relative density saturates at T_t. The surface roughness increases with increased substrate temperature when the temperature is higher than T_t. T_t is a function of the deposition rate. The influence of the deposition rate on the surface roughness is dependent on the substrate temperature. The simulation results also showed that the relative density decreases with increasing deposition rate and average thickness of the film.     

A computer simulation of nucleation and growth of thin films

A three-dimensional kinetic Monte Carlo technique has been developed for simulating the nucleation and growth of thin films. The model involves incident atom attachment, surface diffusion of the atoms on the growing surface and atom detachment from the growing surface. Related effects caused by atom diffusion were taken into account. A significant improvement in calculation of activation energy for the atom diffusion was made based on a reasonable assumption of interaction potential between atoms. Trace files were created during the simulation and snapshots showing the morphology of the nucleation and growth of the thin films were taken by computer graph technique. The results showed that the density of the nucleus decreases and the size of island nucleation increases with increasing the substrate temperature and decreasing the deposition rate. At the meantime, a transition from two-dimension to three-dimension nucleation was observed. There exist three critical temperatures at a certain deposition rate: T_n at which the nucleation rate reaches maximum, T_r at which the surface roughness minimizes and T_d at which the relative film density saturates. The three critical temperatures are functions of the deposition rate. The nucleation rate is close to constant under lower temperatures while it increases with deposition rate at higher temperatures. The film surface roughness depends on the density of island nucleation, it increases with temperature at lower temperatures and decreases at higher temperatures. The relative film density decreases with increasing the deposition rate.     

考虑二维ES势垒的薄膜生长动力学Monte Carlo模型

考虑了原子在发生层间扩散过程中Ehrlich-Schwoebel势垒的作用,构造了四边形基底表面上薄膜三维生长的动力学Monte Carlo(MC)模型。在这个模型中,原子表面运动的三种动力学过程包括沉积、扩散和脱附过程,它们相互影响又相互独立,依据各自的概率发生。在不同生长条件下,模拟出薄膜的三种生长模式以及相应的薄膜三维生长形貌图。对计算结果的分析表明,ES势垒和在ES势垒作用下基底温度和沉积速率等因素对薄膜的三维生长模式有重要影响。     

热丝CVD方法中气体状态参数的二维模拟计算

使用在连续介质中建立的二维流场数学模型，模拟计算了在用HFCVD方法生长金刚石薄膜过程中影响气体温度分布的多个沉积工艺参数，研究了气体的速度和体密度的空间分布．结果表明，在优化工艺参数条件下，高温热丝的热阻塞作用导致气体状态参数的不均匀空间分布；在热丝附近气体的速度大而靠近反应腔体侧壁处小；热丝附近处气体体密度减小而靠近冷反应腔体侧壁处增加，采用绝热或高等温边界的反应腔管道壁可以消除气体的热绕流现象，有利于大面积金刚石薄膜的快速均匀生长．     

用相场方法模拟Fe-C合金枝晶生长

采用相场法模拟了Fe-0.5%C合金等温凝固过程中单个枝晶和多个枝晶的生长,研究了过冷度、各向异性、界面厚度、晶体取向以及扰动对枝晶形貌的影响,获得了具有二次分枝的枝晶形貌,再现了枝晶生长过程及枝晶臂之间的竞争生长.模拟结果表明:凝固过程中存在溶质富集和枝晶偏析,枝晶主干溶质浓度最低,枝晶臂之间的液相浓度最高.随着过冷度的增大,枝晶生长加快且分枝发达;界面厚度直接影响枝晶的生长速度;各向异性影响枝晶的形态;晶体取向与坐标轴方向一致时枝晶优先生长;扰动的加入导致枝晶分枝的形成.