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.     

利用Monte Carlo算法对薄膜生长过程的计算机模拟

用Monte Carlo方法以Cu为例对薄膜生长过程进行计算机模拟．不仅对原子的吸附、迁移及脱附3种过程采用更为合理的模型，还考虑这些过程发生时对近邻原子的连带效应．在合理选择原子间相互作用势计算方法的基础上．改进了原子迁移激活能的计算方法．计算了表征薄膜生长表面形貌的表面粗糙度和表征薄膜内部晶格完整性的相对密度．结果表明，在一定的原子入射率下，表面粗糙度和相对密度的变化存在一个临界温度．随着衬底温度的升高．表面粗糙度减小，膜的相对密度增大．当达到临界温度时，粗糙度随衬底温度的升高开始增大，而相对密度趋于饱和．临界温度随原子入射率的增大而增大，不同温度下原子入射率对粗糙度的影响不同，在较低温度时粗糙度随入射率的增加而增加，在较高温度时粗糙度随入射率增大而减小．同时发现．随入射率的增大或薄膜厚度的增加，相对密度均逐渐减小。     

薄膜生长过程的Monte Carlo模拟

用Monte Carlo方法以Cu为例对薄膜生长过程进行了计算机模拟. 不仅对原子的吸附、迁移及脱附三种过程采用了更为合理的模型, 还考虑了这些过程发生时对近邻原子的连带效应. 在合理选择原子间互作用势计算方法的基础上, 改进了原子迁移激活能的计算方法. 计算了表征薄膜生长表面形貌的表面粗糙度和表征薄膜内部晶格完整性的相对密度. 结果表明, 在一定的原子入射率下, 表面粗糙度和相对密度的变化存在一个生长最佳温度. 随着衬底温度的升高, 表面粗糙度减小, 膜的相对密度增大. 当达到生长最佳温度时, 粗糙度最小, 而相对密度趋于饱和. 粗糙度随衬底温度的进一步升高开始增大. 生长最佳温度随原子入射率的增大而增大, 不同温度下原子入射率对粗糙度的影响不同, 在较低温度时粗糙度随入射率的增加而增加, 在较高温度时粗糙度随入射率增大而减小. 同时发现, 随入射率的增大或薄膜厚度的增加, 相对密度逐渐减小.     

溅射沉积温度对薄膜生长影响的计算机模拟

利用Monte Carlo方法对薄膜生长过程进行计算机模拟.模型针对粒子的沉积、吸附及粒子的扩散等过程,研究了粒子允许行走的最大步数对薄膜生长形貌的影响.结果表明:随温度升高,粒子行走步数增加,薄膜的生长经历了从分散到分形团聚的过程;在粒子行走步数越小的情况下,薄膜越易趋向于分散生长.     

基于分子源SrTiO_3薄膜同质外延生长的Monte Carlo模拟Ⅱ:模拟结果与讨论

根据本文作者提出的以SrTi O3为代表的ABO3型氧化物薄膜成长机制以及基于MonteCarlo方法的三维模型及模拟算法(详见另文),编制了模拟软件,模拟了不同沉积速率、不同的基底温度下的薄膜组成.模拟过程中两个输入参数选为薄膜的沉积速率和沉积温度,并根据一般研究中采用的实验条件,分别取沉积速率为0.00125ML/s和0.004ML/s(单层/秒,Mono-layer/second,以下同),基底温度为500K～800K.模拟结果表明,随着基底温度的升高,薄膜中SrO分子和Ti O2分子的数目逐渐减少,当超过某一临界温度,薄膜为完全的SrTi O3薄膜;而且随着沉积速率的升高,同质外延生长SrTi O3的最低温度也随之升高.     

基于分子源SrTiO_3薄膜同质外延生长的Monte Carlo模拟Ⅰ:生长机制、模型与算法

提出了一种在极低的生长速率下(例如分子外延技术),以SrTi O3为代表的ABO3型氧化物薄膜的生长机理,并针对这一生长机制,给出了基于Monte Carlo方法的三维模型和模拟算法.模拟基于Solid on Solid模型,并采用周期性的边界条件;模拟中通过库仑作用势引入了基底对沉积分子的影响;Monte Carlo事件由沉积事件、扩散事件、吸附成核事件组成;分子扩散能力与扩散激活能相关.     

Cu薄膜应力的计算机模拟与表征

用Monte Carlo法以Cu为例对薄膜生长过程中薄膜应力进行计算机模拟。将分子动力学法引入到连续体薄膜的生长过程中,通过面上的假想力来实现薄膜应力的计算机模拟.模拟结果表明,在一定原子入射率和基底温度下,在薄膜厚度极其薄的情况下,薄膜应力随薄膜平均厚度的增加而增大,薄膜应力随薄膜表面粗糙度的增大也增大,薄膜应力—厚度随原子沉积个数趋向于线性关系,并且模拟了薄膜应力与薄膜表面粗糙度以及沉积时间的关系曲线。     

Cu薄膜生长初期的计算机模拟

基于Monte Carlo模型, 在理想基底上设置100×100的二维方形格, 利用周期性边界条件建立Cu薄膜初期生长模型, 并模拟粒子的气相沉积过程及迁移步数对薄膜生长的影响规律. 结果表明: 当沉积粒子数逐渐增加时, 基底表面的粒子团簇结构逐渐增大; 在温度不变的条件下, 随着最大迁移步数的增加, 团簇逐渐增大, 团簇数量逐渐减小, 且团簇分布逐渐稀疏; 温度升高使粒子聚集为岛状, 薄膜呈岛状生长.     

薄膜生长初期能量参数影响研究

用Monte Carlo模型模拟了亚单层薄膜在四方形基底上的生长过程.研究了在薄膜生长初期岛的形貌与周围原子作用之间的关系,及扩散原子周围不同位置处原子的势能参数对薄膜生长的影响.计算结果表明,扩散过程中,吸附原子受最近邻位置处原子作用的势能变化影响较大,而受次近邻位置处原子作用的势能变化影响较小;降低扩散原子最近邻位置处的能量参数,相当于升高了基底的温度.     

薄膜生长与原子尺度的计算机模拟

总结了近年来多篇文献报道的新现象,在传统公认的薄膜生长过程与模式基础上,进行了补充和完善.介绍了计算机模拟薄膜生长的多种模型与方法及其应用特点,包括了分子动力学模型、蒙特卡洛模型、动力学蒙特卡洛模型以及具有发展潜力的量子力学模型.简介了当前国内外计算机模拟薄膜生长的研究现状.     

薄膜生长与原子尺度的计算机模拟

总结了近年来多篇文献报道的新现象，在传统分认的薄膜生长过程与模工基础上，进行了补充和完善。介绍了计算机模拟薄膜生长的多种模型与方法及其应用特点，包括了分子动力学模型、蒙特卡洛模型、动力学蒙特卡洛模型以及具有发展潜力的量子力学模型。简介了当前国内外计算机模拟薄膜生和的研究现状。     

电沉积镍薄膜早期形核生长的计算机模拟

介绍了动力学蒙特卡罗方法模拟薄膜生长的基本理论,对电沉积镍薄膜早期形核生长进行了模拟,发现镍薄膜的亚单层生长可以分为四个阶段,随着基底温度的上升,岛的密度减少,岛的尺寸增大,岛的分形维数增大;随着沉积率的上升,岛的密度上升,岛的尺寸减小,岛的分形维数减小;随着覆盖率的增加,岛的尺寸增大,分形维数不变.     

薄膜生成过程的计算机模拟研究

根据多种制膜方法的共同点建立模型，用微机模拟源物质粒子在靶衬底上沉积成膜的全过程，研究了影响薄膜质量的工艺条件，如沉积速率、衬底温度等因素在微观成膜过程中所表现出来的物理细节及其规律。     

不同工况下薄膜生长结构的计算机模拟

用蒙特卡罗方法，在计算机上模拟了不同工况下薄膜的生长结构，证明了阴影效应和沉积原子的有限迁移是导致柱状结构的原因．采用离子束辅助沉积工艺，可提高膜层聚集密度，消除柱状结构     

Ni在Ni(100)面的薄膜生长的蒙特卡罗模拟

采用晶格动力学蒙特卡罗(KLMC)方法模拟Ni在Ni(100)面的薄膜生长,对原子的沉积、吸附、扩散、成核、生长等微观过程采用了合理的模型,研究基板温度和沉积速率对薄膜的生长形貌和表面粗糙度的影响.模拟结果表明:沉积在基板上的原子逐步由各个离散型变成紧致型的近四方形的岛,并由二维向三维岛转变,最后连接成膜;基板温度越高,沉积速率越低,生成的薄膜越平整,粗糙度越小;沉积速率一定,表面粗糙度随着基板温度的增加而减小,当基板温度达到一定值时粗糙度降为零.     

铁磁性薄膜表面粗糙度对系统磁特性的影响

以简单立方结构单原子层逐层生长模型用Monte Carlo算法模拟研究了表面粗糙度对薄膜磁特性的影响.模拟结果表明表面粗糙度需要根据具体的薄膜结构分别定义为γ 和γ-,这两种情况下的系统磁特性随粗糙度的变化趋势有相当大的不同.同时,发现配位数直接影响表面粗糙度,进而间接影响热磁化强度M以及居里温度Tc等磁特性.     

薄膜理论中的核生长问题

本文对用热力学方法研究薄膜形成过程中的核生长问题提出了补充性意见.认为在论及核对扩散原子的捕获频率时,应考虑到存在着瞄准因素。     

Pt／Pt（111）薄膜生长的计算机模拟研究

以Pt/Pt(111)薄膜生长为例,建立一个包含更为细致的原子扩散过程的模型,采用蒙特卡洛模拟方法研究了不同覆盖率,不同温度下（111）面上外延生长早期阶段的原子聚集行为,得到了一系列分形状薄膜的形貌。计算表明,用来描述枝状晶体枝杆平均宽度的原子的平均最近邻配位数随温度的升高而增加,与扫描隧道电镜实验测量的结果一致。同时,还研究了原子沉积过程中沉积速率的大小对薄膜生长的影响。     

改进的多孔硅生长模型和计算机模拟

基于多孔硅生长过程中阳极化电流,氢氟酸(HF)含量与多孔硅微结构的关系,提出一个改进的多孔硅生长模型,并进行了计算机模拟.该模型吸收了限制扩散模型的优点,同时考虑了F-与空穴的反应过程因素,利用该模型可以模拟出多孔硅形成过程中大电流条件下的电化学抛光现象.二维(100×100)点阵模拟结果与实验数据具有较好的匹配性,模拟得出的多孔硅的多孔度同实验数据相比较,误差不超过10%.     

铜基底上外延生长金刚石薄膜的密度泛函理论研究

基于密度泛函理论对铜上外延生长的金刚石薄膜的几何结构及其能量特征进行了计算,计算结果表明外延生长金刚石薄膜的几何参数与体金刚石的几何参数相似(特别是(111)面);在铜多晶基体的<111>方向更有利于金刚石薄膜的外延生长.