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分子动力学模拟方法研究铜团簇成膜及非晶化锗材料的辐照损伤

作　者: 龚恒风
导　师: 李公平
学　校: 兰州大学
专　业: 粒子物理与原子核物理
关键词: 团簇沉积衬底温度沉积率晶体取向延展度表面粗糙度非晶化孔洞拓扑分析方法
分类号: O572
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文第一部分内容是用分子动力学模拟方法模拟计算Cu团簇沉积在Si衬底上的成膜微观过程。改变入射团簇的大小、入射能量、衬底温度、衬底晶体取向,以及沉积率等初始条件来研究沉积成膜的物理机制。模拟中采用了两组描述体系中原子间相互作用势的方案。方案(一)：EAM势函数描述Cu-Cu原子间的相互作用；SW势函数描述Si-Si原子间的相互作用；LJ两体势函数描述Cu-Si原子间的相互作用。方案(二)：EAM势函数描述Cu-Cu原子间的相互租用；Tersoff势函数描述Si-Si原子间的相互作用：Morse两体势函数描述Cu-Si原子间的相互作用。这部分工作主要从三个方面模拟研究了沉积成膜过程：(1)单个铜团簇沉积演化过程；(2)单个铜原子连续沉积成膜过程；(3)单个铜团簇连续沉积成膜过程。通过模拟研究得到结果如下：1、通过模拟计算单个Cu团簇沉积在Si衬底上的微观演化过程,研究得到：(1)两组势函数方案都能够比较准确地描述Cu-Si体系中原子间的相互作用,反映Cu团簇沉积在Si衬底上的动态演化过程；(2)在不同大小、形状团簇沉积过程中,原子间动能转化趋势基本相似。团簇越小,动能转化过程越短暂；(3)随着入射动能的增加,团簇原子的延展度增大,平均原子质心高度降低；(4)随着衬底温度的升高,团簇原子的延展度增大,较大团簇的平均原子质心高度明显下降；(5)在Si(001)衬底上,易形成Cu/Si(001)混合内界面；对于Cu13和Cu19团簇分别沉积在Si(111)衬底上,形成Cu/Si(111)混合内界面的入射动能阈值均为3.0eV/atom;对于Cu147团簇沉积在Si(111)衬底上,入射动能阈值为1.6eV/atom开始形成Cu/Si(111)混合内界面。2、通过模拟计算单个Cu原子连续沉积在Si衬底上的成膜过程,研究得到：(1)随着入射动能的增加,沉积薄膜表面的粗糙度降低,这有利于生长高质量的薄膜；(2)随着衬底温度的升高,沉积薄膜表面的粗糙度降低；(3)当沉积率高于5atoms/ps时,沉积薄膜中会出现孔洞。当沉积率过小时,例如2atoms/ps,沉积薄膜表面比较平滑,但是计算时间大大增加。在本文的模拟计算中,选取5atoms/ps的沉积率研究Cu原子沉积在Si衬底上成膜；(4)在相同的沉积条件下,Si(111)衬底上形成薄膜的表面较Si(001)衬底上形成薄膜的表面平滑。另外,Cu/Si(001)和Cu/Si(111)的混合界面处存在不同程度的非晶化现象。(5)在不同的初始沉积条件下,形成薄膜的结构主要以FCC结构存在,并且薄膜形成起初是以“岛状”模式生长,随着沉积原子数的增多,转为“层状”模式生长。3、通过模拟计算Cu团簇连续沉积在Si衬底上成膜过程,研究得到：(1)随着入射团簇动能的增加,成膜表面粗糙度减少；(2)随着衬底温度增加,成膜表面粗糙度减少,且Cu/Si混合内界面处原子的混合度增强；(3)随着入射团簇大小尺寸的增加,成膜表面粗糙度增加；(4)在相同衬底温度的条件下,在Si(111)表面上形成的薄膜表面较在Si(001)表面上形成的薄膜表面平滑；(5)团簇沉积成膜过程中,薄膜主要以“混合”模式生长。本文第二部分内容是用分子动力学模拟方法研究Ge材料的辐照损伤过程,并探究孔洞形成的演化过程。研究得到：(1)能量的沉积导致孔洞形成；(2)“空位团”的形成与湮灭或孔洞的形成导致Ge材料在辐照方向上的肿胀；(3)采用Tersoff-ZBL势函数研究孔洞的演化过程,观察到第一个粒子辐照之后,一个清晰的孔洞出现,然后每隔120.0ps继续第二、三……个粒子辐照,发现模拟体系中有两个清晰孔洞共存的现象。由于模拟体系尺寸的选取,随着辐照次数的增多,形成孔洞的位置和形态总是发生变化,但是孔洞的数目没有增加；(4)采用SW-Yukawa势函数研究孔洞的形成问题。研究发现,孔洞的形成过程与使用Tersoff势函数的情况相似,但是形成的孔洞尺度较大；(5)通过拓扑分析方法分析非晶Ge材料中形成的孔洞边缘及其附近的原子分布情况。研究表明,孔洞边缘及边缘附近位置处,拓扑环所包含的原子数目减少且环的数目增多。这表明,孔洞边缘及其附近的原子排布致密。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
目录  8-11
第一章绪论  11-19
  1.1 薄膜沉积技术的研究背景  11-15
  1.2 锗材料的辐照损伤研究背景  15-17
  1.3 本课题的研究内容  17-19
第二章分子动力学理论  19-40
  2.1 基本的分子动力学模拟方法简介  19-23
  2.2 一些重要术语  23-30
    2.2.1 系综  23-28
    2.2.2 积分步长  28
    2.2.3 MD模拟中几个热力学量的计算  28-30
  2.4 原子之间的相互作用  30-40
    2.4.1 两体势函数  30-31
    2.4.2 多体势函数  31-35
    2.4.3 力的计算  35
    2.4.4 边界条件  35-36
    2.4.5 空间分割  36-37
    2.4.6 热平衡  37-40
第三章数值计算  40-46
  3.1 模拟模型  40
  3.2 单位  40-41
  3.3 对相关函数  41-43
  3.4 纳米原子的应力发展  43-44
  3.5 薄膜表面的粗糙度  44
  3.6 模拟的流程图  44-46
第四章团簇大小、入射动能等对铜团簇沉积在硅衬底上的影响  46-104
  4.0 研究背景  46-47
  4.1 模拟模型(一)  47-49
  4.2 计算结论与讨论(一)  49-68
    4.2.1 不同大小、结构的入射团簇对于团簇沉积的影响  49-57
    4.2.2 不同的初始动能对于团簇沉积的影响  57-63
    4.2.3 不同衬底温度对团簇沉积的影响  63-68
  4.3 小结(一)  68-69
  4.4 模拟模型(二)  69-70
  4.5 结果和讨论(二)  70-102
    4.5.1 不同大小、结构的团簇对团簇沉积的影响  70-72
    4.5.2 不同的入射动能对团簇沉积的影响  72-82
    4.5.3 不同的衬底温度对团簇沉积的影响  82-87
    4.5.4 不同的衬底晶体取向对团簇沉积的影响  87-102
  4.6 小结(二)  102-104
第五章铜原子连续沉积在硅衬底上成膜  104-146
  5.1 研究背景  104-108
  5.2 模拟模型  108-144
    5.2.1 衬底温度对Cu原子连续沉积在Si(001)衬底上成膜质量的影响  109-121
    5.2.2 入射动能对Cu原子连续沉积在Si(001)衬底上成膜质量的影响  121-128
    5.2.3 衬底温度对Cu原子连续沉积在Si(111)衬底上成膜质量的影响  128-137
    5.2.4 入射动能对Cu原子连续沉积在Si(111)衬底上成膜质量的影响  137-143
    5.2.5 原子沉积率对Cu原子连续沉积在Si(001)衬底上成膜质量的影响  143-144
  5.3 小结  144-146
第六章铜团簇连续沉积在硅衬底上成膜研究  146-160
  6.1 研究背景  146
  6.2 模拟模型  146-147
  6.3 模拟结果  147-159
    6.3.1 衬底温度对Cu13团簇沉积在Si(001)衬底上成膜质量的影响  147-151
    6.3.2 衬底温度对Cu13团簇沉积在Si(111)衬底上成膜质量的影响  151-155
    6.3.3 晶体取向对Cu55团簇沉积在Si衬底上成膜质量的影响  155-156
    6.3.4 入射动能对Cu55团簇沉积在Si(111)衬底上成膜质量的影响  156-159
  6.4 小结  159-160
第七章非晶化锗材料的辐照损伤研究  160-176
  7.1 研究背景  160-161
  7.2 模拟模型  161
  7.3 结果和讨论  161-174
    7.3.1 研究孔洞演化过程  161-170
    7.3.2 采用拓扑学分析工具研究孔洞周围环的分布  170-174
  7.4 小结  174-176
第八章总结  176-180
参考文献  180-189
在学期间的研究成果  189-190
致谢  190

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