Fcc（111）面薄膜三维生长的计算机模拟

论文摘要

随着科技的发展,薄膜制备技术的应用越来越广泛。薄膜科学研究成果转化为生产力的速度愈来愈快。由于薄膜的生长过程非常复杂,用实验的方法研究薄膜的生长过程存在一定的困难。利用计算机模拟的方法在原子尺度上揭示薄膜形成微观结构的演化规律,对改进和优化薄膜生长工艺、提高薄膜质量、改善薄膜性质具有重要意义。本文建立了一个基于动力学蒙特卡罗方法（Kinetic Monte Carlo method）的薄膜三维生长模型,模拟基底为Fcc（111）面900x900的六角晶格,采用周期性边界条件。考虑了粒子从高处沉积至基底,粒子在基底表面扩散,层间扩散,绕岛形核以及岛长大等过程。对Fcc（111）面不同条件下的生长形貌（三角形岛,六角形岛）进行了分析,并与实验研究相比较,模拟结果与实验结果符合得比较好。在此基础上,对固定沉积位模型不同生长条件（基底温度、沉积速率、覆盖率等）的薄膜同质外延生长进行了模拟研究,对缺陷中层错的几种情况与Fcc（111）面心立方生长结构相对比,并且考虑了Fcc（111）面上原子随机的沉积在fcc、hcp位的模型,并将这一模型与固定沉积位模型在不同生长条件下进行对比。模拟研究的结论如下：扩散粒子绕岛运动时,其最近邻粒子对其的束缚能力是引起薄膜生长形貌变化的主要因素；粒子绕岛过程使岛形貌趋于紧致,形成大量的三重空位,使上层粒子生长概率增大,导致薄膜表面粗糙度增加；Fcc（111）基底结构上岛边缘亚稳原子的边-角,角-边,边-边扩散的各向异性是薄膜生长形貌由六角形岛向三角形岛转变的决定因素；层错情况的岛形貌与正常情况的岛形貌差别不大；在相同条件下,原子的hcp位随机沉积模型比固定沉积位模型的岛个数稍多,岛尺寸稍小,粗糙度偏小一些；薄膜表面的粗糙度随覆盖率、上跃概率的增大而增大,随下跃概率的增大而减小,随基底温度和沉积速率的增大先增大后减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 薄膜研究背景
• 1.2 薄膜研究意义
• 1.3 薄膜研究现状
• 1.3.1 薄膜生长实验研究现状
• 1.3.2 薄膜生长模拟研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 薄膜生长理论
• 2.1 薄膜的概念
• 2.2 薄膜的生长过程
• 2.2.1 吸附过程
• 2.2.2 扩散过程
• 2.2.3 形核和长大过程
• 2.2.4 岛的形成与结合生长过程
• 2.3 薄膜生长模式
• 2.3.1 岛状生长模式
• 2.3.2 层状生长模式
• 2.3.3 岛层生长模式
• 2.3.4 生长模式之间的相互转化
• 2.4 薄膜的性质研究
• 2.4.1 岛尺寸分布理论
• 2.4.2 粗糙度
• 第3章 薄膜生长模拟方法
• 3.1 计算机模拟方法的介绍
• 3.1.1 蒙特卡罗方法
• 3.1.2 分子动力学方法
• 3.2 计算机模拟模型的介绍
• 第4章 薄膜生长模型的建立
• 4.1 模型建立所考虑的因素
• 4.2 基底的构成
• 4.2.1 基底结构
• 4.2.2 周期性边界条件
• 4.3 模拟的事件
• 4.3.1 沉积
• 4.3.2 同层扩散
• 4.3.3 层间扩散
• 4.4 模拟流程图
• 第5章 结果分析与讨论
• 5.1 未考虑扩散的各向异性岛形貌的分析
• 5.1.1 扩散粒子最近邻粒子数对岛形貌的影响
• 5.1.2 扩散粒子绕岛步数对岛形貌的影响
• 5.1.3 未考虑扩散各向异性的实验比对
• 5.1.4 未考虑扩散的各向异性-上跃概率对薄膜生长形貌的影响
• 5.1.5 定量分析-未考虑扩散的各向异性上跃概率对薄膜粗糙度的影响
• 5.2 考虑扩散的各向异性岛形貌的分析
• 5.2.1 考虑扩散各向异性的实验比对
• 5.2.2 考虑扩散的各向异性-上跃概率对薄膜生长形貌的影响
• 5.2.3 定量分析-考虑扩散的各向异性上跃概率对薄膜粗糙度的影响
• 5.3 不同生长条件对薄膜形貌的影响分析-下跃
• 5.3.1 未考虑扩散的各向异性-下跃对薄膜生长形貌的影响
• 5.3.2 定量分析-未考虑扩散的各向异性下跃对薄膜粗糙度的影响
• 5.4 不同生长条件对薄膜形貌的影响分析-覆盖率
• 5.4.1 不考虑绕岛情况下的形貌图
• 5.4.2 考虑绕岛情况下的形貌图
• 5.4.3 定量分析-不同绕岛步数下粗糙度随覆盖率的变化
• 5.5 不同生长条件对薄膜形貌的影响分析-沉积速率
• 5.5.1 不考虑绕岛情况的形貌图
• 5.5.2 考虑绕岛情况的形貌图
• 5.5.3 定量分析-不同绕岛步数下粗糙度随沉积速率的变化
• 5.6 不同生长条件对薄膜形貌的影响分析-温度
• 5.6.1 薄膜生长形貌随温度的变化
• 5.6.2 定量分析-不同沉积速率下粗糙度随温度的变化
• 5.7 不同生长条件对薄膜形貌的影响分析-层错
• 5.7.1 不同温度下层错对薄膜形貌的影响
• 5.7.2 定量分析-温度对层错的影响
• 5.7.3 不同沉积速率下层错对薄膜形貌的影响
• 5.7.4 定量分析-沉积速率对层错的影响
• 5.7.5 不同覆盖率下层错对薄膜形貌的影响
• 5.7.6 定量分析-覆盖率对层错的影响
• 5.8 Fcc（111）面fcc、hcp位随机沉积模型的模拟研究
• 5.8.1 对比温度对岛形貌的影响
• 5.8.2 定量分析-不同绕岛步数下温度对薄膜粗糙度的影响
• 5.8.3 对比沉积速率对岛形貌的影响
• 5.8.4 定量分析-不同温度下沉积速率对薄膜粗糙度的影响
• 5.8.5 对比覆盖率对岛形貌的影响
• 5.8.6 定量分析-不同沉积速率下覆盖率对薄膜粗糙度的影响
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢