Kinetic Monte Carlo方法对薄膜生长初期表面形貌的研究

用Kinetic Monte Carlo方法研究了薄膜生长初期的表面形貌, 对激活能的计算采用了更加通用、准确的算法, 模型考虑了原子吸附、迁移、脱附、蒸发原子返回基底, 二体运动等多种机理, 根据模型编写了相应的软件, 利用计算机图形学的原理对薄膜的表面形态进行了三维立体成像, 并通过模拟发现, 在低温和高温时薄膜的早期成核和表面形貌完全不同, 薄膜后续的生长与早期成核有很大的关系. 微观机理主要受原子的热运动影响, 温度决定扩散能力, 入射率决定扩散时间.     

Tb0.3Dy0.7(Fe1-xAlx)1.95合金的结构、磁致伸缩和M(o)ssbauer研究

系统研究了室温下Tb0.3Dy0.7(Fe1-xAlx)1.95(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,0.35)合金中金属Al替代Fe对晶体结构、磁致伸缩、内禀磁致伸缩、各向异性和自旋重取向的影响.结果发现,x＜0.4时,Tb0 3Dy0 7(Fe1-xAlx)1.95完全保持MgCu2立方Laves相结构,晶格常数α随Al含量x的增加而增大.磁致伸缩测量发现,随着替代量x的增加磁致伸缩减小,x＞0.15时超磁致伸缩效应消失;x＜0.15时磁致伸缩在低场下(H≤40 kA/m)有小幅增加,高场下迅速减小,而且易趋于饱和,说明添加少量Al有助于减小磁晶各向异性.内禀磁致伸缩λ111随Al替代量x的增加大幅度降低.M(o)ssbauer效应表明,Tb0.3Dy0.7(Fe1-xAlx)1.95合金的易磁化方向随成分和温度在{110}面逐渐偏离了立方晶体的主对称轴,即自旋重取向.室温下,当x=0.15时,Tb0.3Dy0.7(Fe1-xAlx)1.95合金中出现了少量非磁性相;x＞0.15时,合金完全呈顺磁性;而77K温度下x=0.2时合金仍然呈磁性相.在室温和77K温度时,超精细场Hhf均随Al元素的增加而减小,而同质异能移IS随Al元素的增加而增加.     

Tb0.3Dy0.7(Fe1-xAlx)1.95合金的结构、磁致伸缩和MÖssbauer研究

系统研究了室温下Tb0.3Dy0.7(Fe1-xAlx)1.95(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,0.35)合金中金属Al替代Fe对晶体结构、磁致伸缩、内禀磁致伸缩、各向异性和自旋重取向的影响.结果发现,x＜0.4时,Tb0 3Dy0 7(Fe1-xAlx)1.95完全保持MgCu2立方Laves相结构,晶格常数α随Al含量x的增加而增大.磁致伸缩测量发现,随着替代量x的增加磁致伸缩减小,x＞0.15时超磁致伸缩效应消失;x＜0.15时磁致伸缩在低场下(H≤40 kA/m)有小幅增加,高场下迅速减小,而且易趋于饱和,说明添加少量Al有助于减小磁晶各向异性.内禀磁致伸缩λ111随Al替代量x的增加大幅度降低.M(o)ssbauer效应表明,Tb0.3Dy0.7(Fe1-xAlx)1.95合金的易磁化方向随成分和温度在{110}面逐渐偏离了立方晶体的主对称轴,即自旋重取向.室温下,当x=0.15时,Tb0.3Dy0.7(Fe1-xAlx)1.95合金中出现了少量非磁性相;x＞0.15时,合金完全呈顺磁性;而77K温度下x=0.2时合金仍然呈磁性相.在室温和77K温度时,超精细场Hhf均随Al元素的增加而减小,而同质异能移IS随Al元素的增加而增加.     

Tb_(0.3)Dy_(0.7)(Fe_(0.9)T_(0.1))_(1.95)合金的结构、磁致伸缩和Mssbauer研究

系统研究了室温下Tb0.3Dy0.7(Fe0.9T0.1)1.95(T=Mn,Fe,Co,B,Al,Ga)合金中ⅢA族金属和过渡金属元素T替代Fe对晶体结构、磁致伸缩、内禀磁致伸缩、自旋重取向的影响.结果发现,不同金属T替代Fe,Tb0.3Dy0.7(Fe0.9T0.1)1.95合金具有相同的MgCu2型立方Laves相结构.ⅢA族金属B,Al,Ga替代使磁致伸缩λs下降幅度较大,同时发现Al,Ga替代使磁致伸缩容易饱和,表明Al,Ga替代可降低Tb0.3Dy0.7(Fe1?xTx)1.95合金的磁晶各向异性,而过渡金属Mn,Co替代Fe使Tb0.3Dy0.7(Fe1?xTx)1.95合金磁致伸缩λs下降幅度较小;不同替代金属元素,对内禀磁致伸缩λ111有不同的影响.M?ssbauer效应表明,Al,Ga替代使Tb0.3Dy0.7-(Fe0.9T0.1)1.95合金的易磁化方向在{110}面逐渐偏离了立方晶体的主对称轴,即自旋重取向,B,Mn,Co替代未使易磁化轴发生明显转动.     

Tb_(0.3)Dy_(0.6)Pr_(0.1)(Fe_(1-x)Al_x)_(1.95)合金的磁致伸缩、自旋重取向和Mssbauer谱研究

系统研究了室温下Tb0.3Dy0.6Pr0.1(Fe1-xAlx)1.95(x=0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3)合金中元素Al替代Fe对结构、磁致伸缩性能、自旋重取向温度和Mssbauer谱的影响.实验测量表明,x<0.2时Tb0.3Dy0.6Pr0.1(Fe1-xAlx)1.95合金基本上是纯的单相,x=0.2出现其他杂相,且杂相随Al替代量的增加不断增多.随Al替代量x的增加磁致伸缩系数快速减小,x>0.15时巨磁致伸缩效应消失,而且少量Al的加入有利于降低磁晶各向异性.相对磁化率随温度的变化测量表明,自旋重取向温度Tm随Al替代量的增多而降低.Mssbauer谱的测量发现,随Al含量的增加,易磁化轴可能在{110}面逐渐偏离了立方晶体的主对称轴,即发生自旋重取向.对Mssbauer谱的分析表明:随Al替换量x的增多,平均超精细场Hhf减小,而同质异能移IS增大,四极劈裂QS则呈无规律的变化.     

Tb0.3Dy0.7(Fe1一xAlx)1.95合金的磁性、磁致伸缩和Mössbauer

系统研究了室温下Tb0.3Dy0.7(Fe1-xAlx)1.95(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,0.35)合金中金属Al替代Fe对磁性、磁致伸缩、自旋重取向和穆斯堡尔谱的影响.结果发现,x＜0.4时,Tb0.3Dy0.7(Fe1-xAlx)1.95完全保持MgCu2立方Laves相结构.磁化强度和磁致伸缩测量发现,x＜0.15时,添加少量Al有助于减小磁晶各向异性,并且随着Al替代量x增加,磁致伸缩λs、内禀磁致伸缩λ111和Curie温度Tc大幅度降低.多功能磁性测量系统PPMS的研究和M(o)ssbauer效应表明,Tb0.3Dy0.7(Fe1-xAlx)1.95合金的易磁化方向随成分和温度在{110}面逐渐偏离了立方晶体的主对称轴,即自旋重取向.室温下,当x=0.15时,Tb0.3Dy0.7(Fe1-xAlx)1.95合金中出现了少量非磁性相;x＞0.15时,该合金完全呈顺磁性;而77K温度下x=0.2时合金仍然呈磁性相.     

Tb0.3Dy0.6Pr0.1(Fe1-xAlx)1.95合金的磁致伸缩、自旋重取向和Mössbauer谱研究

系统研究了室温下Tb_0.3Dy_0.6Pr_0.1(Fe_1-xAl_x)_1.95 (x=0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3)合金中元素Al替代Fe对结构、磁致伸缩性能、自旋重取向温度和Mössbauer谱的影响. 实验测量表明, x<0.2时Tb_0.3Dy_0.6Pr_0.1(Fe_1-xAl_x)_1.95合金基本上是纯的单相, x=0.2出现其他杂相, 且杂相随Al替代量的增加不断增多. 随Al替代量x的增加磁致伸缩系数快速减小, x>0.15时巨磁致伸缩效应消失, 而且少量Al的加入有利于降低磁晶各向异性. 相对磁化率随温度的变化测量表明, 自旋重取向温度T_m随Al替代量的增多而降低. Mössbauer谱的测量发现, 随Al含量的增加, 易磁化轴可能在{110}面逐渐偏离了立方晶体的主对称轴, 即发生自旋重取向. 对Mössbauer谱的分析表明: 随Al替换量x的增多, 平均超精细场H_hf减小, 而同质异能移IS增大, 四极劈裂QS则呈无规律的变化.     

薄膜外延生长及其岛核形成的计算机模拟

以Cu膜为例, 用Monte Carlo算法模拟了薄膜生长的随机过程. 找到了生长过程中的三个优化温度, 并研究了它们的渐近一致性, 同时对各种温度区间内表面粗糙度、相对密度随入射率的变化规律进行深入的探讨. 模拟中考虑了一些新的效应, 如原子迁移过程中势能的变化, 以及原子扩散引起的连带效应, 从而使模拟更加合理. 模型中采用了冻结周围原子近似和周期性边界条件处理.     

Tb_(0．3)Dy_(0．7)(Fe_(0．9)T_(0．1))_(1．95)合金的结构磁性能、磁致伸缩和自旋重取向温度研究

本文系统研究了室温下Tb_(0.3)Dy_(0.7)(Fe_(0.9)T_(0.1))_(1.95)(T=Mn,Fe,Co,B,Al,Ga)合金中ⅢA族金属和过渡金属T替代Fe对晶体结构、磁性能、磁致伸缩和自旋重取向温度的影响。结果发现,不同金属T替代Fe,Tb_(0.3)Dy_(0.7)(Fe_(0.9)T_(0.1))_(1.95)合金具有相同的MgCu_2型立方Laves相结构。除Co之外,其它金属替代均使合金的点阵常数有不同程度的增大,而Curie温度有所降低。T替代Fe使合金的比饱和磁化强度增大。ⅢA族金属B,Al,Ga替代使磁致伸缩λ_s下降幅度较大,而且Al,Ga替代使磁致伸缩容易饱和,表明Al,Ga替代可降低合金的磁晶各向异性,而过渡金属Mn,Co替代Fe使合金磁致伸缩λ_1下降幅度较小,不同替代金属元素,对内禀磁致伸缩λ_(111)有不同的影响。同时还发现,替代使合金的自旋重取向温度略有下降。     

计算机模拟在薄膜外延生长中的应用

计算机模拟是计算机技术的一个重要应用领域,具有高效、快捷、经济等多种特点.以Cu膜为例用Monte Carlo算法模拟了薄膜生长的随机过程,并提出了更加完善的模型.在合理选择原子间相互作用计算方法的基础上,考虑了原子的吸附、在生长表面的迁移及迁移所引起的近邻原子连带效应、从生长表面的脱附等过程.利用自行编写的4个软件模拟计算了薄膜的早期成核情况以及表征薄膜生长表面状况的粗糙度和表征薄膜内部晶格完整性的相对密度.结果表明,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众多各自独立的离散型分布向聚集状态过渡形成一些岛核,并且逐步由二维岛核向三维岛核过渡.在一定的原子入射率下,存在3个优化温度,成核率最高时的最大成核温度Tn,薄膜的表面粗糙度最低时的生长转变温度Tr,相对密度趋近于1时的相对密度饱和温度Td.三者均随入射率的对数形式近似线性增大,并且基本重合.这说明在一定入射率下这3个优化温度近似相等.这一现象的原因在于三者的形成机理都是基于原子的热运动.这一结论使探索工艺条件时不仅可以采用计算机模拟的方法,而且可以从早期最大成核条件预计沉积较厚薄膜的最佳生长工艺.同时发现,随着入射率的增大,相对密度不断减小.可是在不同温度区域入射率对早期成核率和表面粗糙度的影响不同.当温度较低时,随着入射率的增大,最大成核率基本不变,表面粗糙度不断增大;当温度较高时,随着入射率的增大,最大成核率不断增大,但表面粗糙度不断减小.