薄膜晶體缺陷形成與控制的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、薄膜晶體缺陷主要形成于原子沉積生長(zhǎng)過(guò)程之中，而現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)分析手段的空間和時(shí)間分辨能力都無(wú)法勝任對(duì)原子尺度微觀過(guò)程的研究。我們以面心立方金屬為對(duì)象、采用三維分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)幾種薄膜缺陷形成的原子機(jī)理與控制方法進(jìn)行了原子模擬研究。原子間相互作用力采用EAM多體勢(shì)函數(shù)計(jì)算。研究?jī)?nèi)容包括：外延薄膜沉積生長(zhǎng)的分子動(dòng)力學(xué)模型、模擬方法與相應(yīng)程序的建立及對(duì)原子沉積過(guò)程的基本研究；〈111〉外延生長(zhǎng)薄膜中失配位錯(cuò)、孿晶與一種應(yīng)力致生長(zhǎng)織構(gòu)的結(jié)構(gòu)、形成機(jī)制

2、及可能的控制方法；在納米晶柱陣列襯底上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量、易剝離薄膜晶體的可能性。研究發(fā)現(xiàn)： (1)保持表面原子級(jí)平整可使薄膜在超過(guò)臨界厚度數(shù)十倍的情況下仍不形成失配位錯(cuò)。但這種結(jié)構(gòu)對(duì)微擾十分敏感，表面僅單原子層厚的微小凹凸或高溫下的熱擾動(dòng)都能使失配位錯(cuò)迅速形成。 (2)負(fù)失配條件下，失配位錯(cuò)成核于一種發(fā)生在薄膜表層的類(lèi)似于“局部熔融－重結(jié)晶”的過(guò)程，它起自薄膜內(nèi)部壓應(yīng)力與表面臺(tái)階共同作用下被擠出的一個(gè)倒四面體構(gòu)型的原子團(tuán)。

3、其結(jié)構(gòu)為伯格斯矢量與失配方向一致的、滑移面與生長(zhǎng)面平行的全刃位錯(cuò)，個(gè)別情況下也會(huì)呈現(xiàn)為由兩個(gè)部分位錯(cuò)夾著一片層錯(cuò)組成的Shockley擴(kuò)展位錯(cuò)。 (3)正失配條件下，失配位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)與成核機(jī)制出現(xiàn)兩類(lèi)情況。當(dāng)失配度f(wàn)x≥0.05時(shí)，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)與成核機(jī)制與負(fù)失配條件下類(lèi)似，不同之處是局部熔融源自與表面相交的滑移臺(tái)階；當(dāng)fx≤0.04時(shí)，失配位錯(cuò)直接形成于由表面向內(nèi)部推進(jìn)的局部滑移。其伯格斯矢量與失配方向成60°夾角。該位錯(cuò)形成后迅速?gòu)?/p>

4、薄膜表層沿其滑移系向薄膜與襯底間界面滑移。 (4)在適當(dāng)幾何條件下，采用納米晶柱陣列襯底可以在不形成失配位錯(cuò)的情況下釋放外延薄膜中的失配應(yīng)變，有效地抑制失配位錯(cuò)的形成，獲得高質(zhì)量、易剝離外延薄膜。 (5)在〈111〉生長(zhǎng)中，表面沉積原子在入射碰撞和熱運(yùn)動(dòng)遷移過(guò)程中隨機(jī)占據(jù)正常位置(FCC位置)或錯(cuò)排位置(HCP位置)，并形成FCC疇或HCP疇，二者的形成和長(zhǎng)大相互競(jìng)爭(zhēng)，后者得以競(jìng)爭(zhēng)勝出而占據(jù)整個(gè)表面時(shí)即形成一個(gè){111}

5、孿晶界面。增原子錯(cuò)排能，即表面沉積原子處于HCP錯(cuò)排位置的能量相對(duì)于處于FCC正常位置時(shí)的增量，決定薄膜中是否能夠出現(xiàn)〈111〉生長(zhǎng)孿晶。一個(gè)孿晶界面形成后，其上繼續(xù)生長(zhǎng)的薄膜表面的增原子錯(cuò)排能與該孿晶界面深度有很強(qiáng)關(guān)聯(lián)。對(duì)這種關(guān)聯(lián)的分析結(jié)果揭示了一些孿晶幾何特征的形成原因。 (6)在薄膜平面內(nèi)各向同性的等軸雙向應(yīng)變作用下，呈〈111〉絲織構(gòu)的銅、鋁納米多晶薄膜中不同晶粒之間仍然能夠產(chǎn)生應(yīng)變能差異，使能量較低的晶粒在沉積生長(zhǎng)過(guò)程