薄膜生长的三维元胞自动机模拟及其分形研究

论文摘要

薄膜材料的发展对微电子,微机械等高科技领域的发展有着重要影响,而薄膜的原子尺度的生长过程将影响薄膜材料的各种应用性能,因此关于薄膜生长过程的开展了大量从实验到理论的研究工作。随着计算机科学等新型科学技术的发展,计算机模拟可以从原子尺度模拟薄膜形成的动态过程,解释实验观察到各种现象,分析各种实验条件对成膜的影响,为解决在实验中难以完全跟踪原子沉积和薄膜生长物理过程的难题提供了途径,而成为搭建理论与实际应用的桥梁,对寻找合成有特殊性能的薄膜材料的实验技术及手段具有十分重要的指导意义。元胞自动机方法是根据微观个体的简单局域自组织相互作用机制来描述宏观系统整体复杂行为及其时间演化的“自下而上”的计算机模拟方法。本文针对薄膜生长过程粒子迁移扩散的复杂性,在分析薄膜生长过程及生长模式的基础上,结合蒙特卡诺方法,建立薄膜材料的三维元胞自动机生长模型。该模型通过元胞及其领域状态在按薄膜生长过程特征抽象得到的元胞自动机模型的局域自组织作用规则下的并行演化过程,利用OpenGL技术,在VC7.0环境下编程实现了对薄膜生长过程的直观模拟。通过对薄膜生长过程的计算机模拟,研究了薄膜生长过程中沉积速率和沉积温度等对薄膜表面形貌的影响以及薄膜生长过程三维分维数随覆盖率的变化情况。研究结果表明:在相同温度下较低的沉积速率范围内,薄膜粗糙度几乎不随沉积速率发生变化;随着沉积速率的逐步升高,薄膜粗糙度将逐渐增大;在相同沉积速率时,薄膜粗糙度随沉积温度的升高达到一个最小值,之后粗糙度又将随温度升高而增加,这说明并非沉积温度越高薄膜粗糙度越低;通过对薄膜生长过程三维分维数的计算,表面三维分形维数能够反映薄膜整体的自相似情况。模拟结果与实际情况相符,说明建立的模型是正确的,可以用于薄膜材料生长过程的模拟研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪言
• 1.1 薄膜生长模拟研究意义
• 1.2 薄膜生长模拟研究现状
• 1.2.1 薄膜生长的计算机模拟概述
• 1.2.2 薄膜生长主要模拟方法
• 1.2.3 薄膜生长模型的发展
• 1.3 元胞自动机方法
• 1.3.1 元胞自动机方法简介
• 1.3.2 元胞自动机的发展及其应用
• 1.4 研究背景及研究内容
• 1.4.1 研究背景
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 本文创新
• 2 薄膜生长的元胞自动机模型
• 2.1 薄膜生长过程及模式分析
• 2.1.1 沉积粒子的吸附过程
• 2.1.2 粒子的脱附过程
• 2.1.3 粒子的迁移驰豫过程
• 2.1.4 薄膜生长模式分析
• 2.2 薄膜生长的元胞自动机抽象
• 2.2.1 薄膜生长的物理模型
• 2.2.2 物理模型的元胞自动机抽象
• 2.2.3 演化规则抽象
• 2.3 薄膜生长的元胞自动机模型
• 2.3.1 元胞空间及元胞邻居
• 2.3.2 边界条件确定
• 2.3.3 模型演化规则
• 2.3.4 模型运行原理
• 2.4 本章小结
• 3 薄膜生长的元胞自动机模型实现
• 3.1 薄膜生长的元胞自动机模型设计
• 3.1.1 模型结构、功能设计
• 3.1.2 数据库设计
• 3.1.3 OpenGL 可视化设计
• 3.2 薄膜生长的元胞自动机模型实现
• 3.2.1 模型的程序实现
• 3.2.2 模型参数设置、运行显示与结果表达
• 3.3 本章小结
• 4 薄膜生长的模拟实验
• 4.1 实验目的及内容
• 4.1.1 目的及内容
• 4.2 模型验证
• 4.2.1 不同沉积速率的验证
• 4.2.2 不同沉积温度的验证
• 4.3 沉积速率对薄膜生长影响的模拟实验
• 4.3.1 实验设计
• 4.3.2 实验结果分析
• 4.4 沉积温度对薄膜生长影响的模拟试验
• 4.4.1 实验设计
• 4.4.2 实验结果分析
• 4.5 薄膜生长分形探讨
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录