原子島外延生長的相場法數(shù)值模擬.pdf

1、對于凝固體系而言,材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)的不同決定了材料擁有多樣的性質(zhì),因而在對材料的研制過程中其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的演化過程和最終結(jié)果會直接影響材料的性能,所以對于材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的研究越來越受到廣大科研材料工作者的重視。本文對晶體外延生長的初期形貌的微觀組織過程進行研究,介紹了目前主要的幾種使用最為廣泛的凝固微觀組織模擬方法。使用相場法提出原子島外延生長的相場模型,將原子表面基本運動和原子尺度的結(jié)構(gòu)信息以更簡單、集中的方式引入連續(xù)性方程,

2、并通過有限差分法對相場控制方程進行求解,利用FORTRAN計算語言對相場方程的數(shù)值解進行了設(shè)計和編程,使用MPI通用語言設(shè)計相場程序?qū)崿F(xiàn)了計算機節(jié)點并行化計算,外延生長的大范圍形貌預(yù)測和相關(guān)動力學標度規(guī)律的建立,計算模擬了Fe-on-Fe(001)的晶體外延生長,動態(tài)的顯示了其島生長的連續(xù)演化過程,以及在不同的控制條件下的生長方式,并將結(jié)果于實驗的觀察結(jié)果相對照,研究了純物質(zhì)島的生長機理。具體來說包括以下方面:
　　 (a)說明

3、了現(xiàn)代制備薄膜材料在實際使用中的重要用途,分析了晶體外延生長制備薄膜的物理機制并介紹了實驗室制備方法和原理。分別介紹了蒙特卡洛,水平設(shè)置法,前面追蹤法等幾個當前最為熱門微觀組織模擬方法,分析了各個方法的特點和不足,提出了使用相場模型來模擬晶體外延生長的優(yōu)點和可行性。
　　 (b)推導(dǎo)了基于金茲堡.朗道理論得出的相場方程,并基于晶體外延生長的基本物理過程構(gòu)建了純物質(zhì)外延島生長的相場模型。使用有限差分法將相場方程的離散化到均勻的計算

4、網(wǎng)格來求解,并編譯成為FORTRAN計算程序,利用MPI將數(shù)值計算程序并行化。
　　 (c)詳細介紹了相場控制的參數(shù),研究了不同溫度下獲相場轉(zhuǎn)換區(qū)域?qū)挾?網(wǎng)格長度,時間步長,毛細長度,成核系數(shù),島邊界原子吸附的特性時間,這些相場模型的關(guān)鍵參數(shù)對最終結(jié)果的影響。通過理論推導(dǎo)和實際計算,我們得到各參數(shù)的取值范圍:網(wǎng)格長度隨溫度增加可以適當?shù)脑龃?確定了時間步長的最大取值,了解了特性時間和成核系數(shù)之間的關(guān)系,在溫度為293K～529K

5、之間時,相場轉(zhuǎn)換區(qū)域?qū)挾确秶?～10a這樣我們能夠得到最準確的解。
　　 (d)用相場法對晶體外延島的生長過程進行數(shù)值模擬,并將結(jié)果用程序?qū)崿F(xiàn)可視化,繪出外延島生長的形貌圖像,展示其在不同溫度下的形貌變化,以闡明其物理機制。研究外界條件和相場參數(shù)對該微觀體系的影響:隨著溫度升高襯底上長出島的密度減少,而單個島的面積增大,最終的覆蓋率不受溫度的影響。
　　 (c)優(yōu)化了晶體外延島的生長的相場模型,引入水平函數(shù)調(diào)整方法中的