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。     

薄膜生长的计算机模拟

建立了一个比较合理的三维模型,并通过模拟成像和定量计算研究了薄膜生长过程中的两个重要问题,早期成核与表面粗糙度.结果表明,薄膜的长生过程是原子吸附、迁移、脱附、连带等微观过程的积累.随着衬底温度的升高或入射率的降低,沉积在衬底上的原子逐步由各自独立的离散型分布向聚集状态转变形成岛核,并由二维岛核向三维岛核转变.衬底温度越高、入射率越低,成核尺寸越大.存在一个最佳成核温度,成核率出现一个极大值.随着衬底温度的升高,薄膜的粗糙度先降低后来又增加.存在一个生长转变温度Tr,薄膜的粗糙度达到极小值.当衬底温度小于Tr时,入射率越大,薄膜的粗糙度越大.当衬底温度大于Tr时,入射率越大,粗糙度越小.薄膜生长的主要微观机理是原子热运动对薄膜生长的影响.     

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。     

分子动力学方法模拟GaN薄膜生长

采用分子动力学模拟方法,应用Buckingham经验势模型,模拟纤锌矿相GaN的薄膜晶格生长.研究了GaN薄膜生长的早期阶段的形貌特点、生长规律、表面结构及动力学特性.模拟发现,N原子与Ga原子按照晶格特征吸附在衬底上,作层状分布趋势并且薄膜层从下到上晶态特征逐渐减弱.观察每层沉积原子数、空位比、沉积原子团簇质心高度与沉积原子均方位移随时间的变化规律,发现了随着时间步数增加,原子团簇逐渐达到稳定,在5000步时前3层都达到了较稳定状态,且N原子比Ga原子能更快地找到平衡位置.     

PVD薄膜生长的Monte Carlo模拟

蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)和分子动力学是模拟薄膜生长的两种基本方法.本文结合各种PVD技术的工艺特点,介绍了薄膜生长的Monte Carlo模拟.详尽地总结了载能粒子沉积薄膜生长的Kinetic Monte Carlo模型和算法.最后指出建立精细的模型、算法并适当应用分子动力学是提高模拟可靠性的方法.     

高分子科学中的计算机模拟

综述了计算机模拟在高分子科学中的发展和现状,介绍了它的研究方法及研究领域,并指出了它的发展方向。     

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.     

薄膜生长过程中孔洞填充的蒙特卡罗模拟

在一般的材料生长过程中,由于某些实验参数控制不当,比如生长过程中过高的沉积速率会导致局部的材料中出现孔洞,这种孔洞严重影响了薄膜材料的性能.本文以铜薄膜为例,利用动力学晶格蒙特卡罗方法,模拟了不同参数条件下对孔洞缺陷的影响.所研究的实验参数有:入射截止角、衬底温度和沉积速率.模拟结果表明:孔洞缺陷填充质量的好坏与实验参数有很大的关系.适当的参数有利于孔洞缺陷的完全填充,并且能避免孔洞内再次形成空洞.因此,可以通过优化工作参数来改善薄膜材料的质量,从而提高薄膜材料的性能.     

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.     

外延薄膜生长的实时监测分析研究

利用反射式高能电子衍射(RHEED)在超高真空中对SrTiO3(100)、LaAlO3(100)、Si(100)单晶基片进行分析,讨论了衍射花样与晶体表面结构的对应关系,计算出表面的晶体学参数,同时采用激光分子束外延技术同质外延生长SrTiO3薄膜，根据RHEED衍射图样及强度振荡曲线实时监控薄膜的生长。     

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.     

Monte Carlo simulation of the growth of SrTiO3 thin film with molecular source

A three-dimensional model of SrTiO₃ thin film growth under ultraslow growth rate was proposed based on Monte Carlo method. The model is based on Solid on Solid (SOS) model with periodic boundary condition. The ideal molecular source is regarded as a mixture of predominantly SrTiO₃ molecules and a few SrO and TiO₂ molecules. Monte Carlo events consist of deposition, diffusion of molecules and generation of SrTiO₃ molecules. The results show that in the temperature range simulated, the binding possibility of SrO and TiO₂ to SrTiO₃ increases with the increase of the substrate temperature, resulting in the decrease of the number of SrO and TiO₂ molecules. When the substrates temperature reaches a special value (<800 K), all SrO and TiO₂ molecules may already convert to SrTiO₃, which agrees with our previous experiment. Thus, under ultraslow deposition rate and at the temperature beyond 800 K, a simplified Monte Carlo model consisting only of SrTiO₃ cell diffusion can be achieved. The dependence of morphology on the temperature is simulated and the results show that under ultraslow deposition rate, the SrTiO₃ thin film grows with layer-by-layer mode at higher temperature and with island mode at lower temperature, which is qualitatively consistent with the experiment.     

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.     

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.     

Monte Carlo simulation of nucleation and growth of thin films

We study thin film growth using a lattice-gas, solid-on-solid model employing the Monte Carlo technique. The model is applied to chemical vapour deposition (CVD) by including the rate of arrival of the precursor molecules and their dissociation. We include several types of migration energies including the edge migration energy which allows the diffusive movement of the monomer along the interface of the growing film, as well as a migration energy which allows for motion transverse to the interface. Several well-known features of thin film growth are mimicked by this model, including some features of thin copper films growth by CVD. Other features reproduced are—compact clusters, fractal-like clusters, Frank-van der Merwe layer-by-layer growth and Volmer-Weber island growth. This method is applicable to film growth both by CVD and by physical vapour deposition (PVD).