外延薄膜生長(zhǎng)過程的微觀相場(chǎng)研究.pdf

1、材料生長(zhǎng)過程的計(jì)算機(jī)模擬和仿真是當(dāng)今國(guó)際公認(rèn)的制造科學(xué)與材料科學(xué)的前沿領(lǐng)域之一，而相場(chǎng)法是一種用于描述非平衡態(tài)下復(fù)雜相界面演變的強(qiáng)有力工具。本文針對(duì)外延生長(zhǎng)過程的介觀尺度問題，基于與時(shí)間相關(guān)的Ginzburg-Landau方程得到的純物質(zhì)相場(chǎng)模型，在Neumann邊界條件下通過有限差分離散相場(chǎng)和溫度場(chǎng)控制方程，構(gòu)造該控制方程的顯式數(shù)值積分方案，給出數(shù)值計(jì)算格式，編制相應(yīng)模擬程序，通過適當(dāng)?shù)暮筇幚碓佻F(xiàn)了枝晶外延生長(zhǎng)過程。 為克服顯

2、式積分方案的不足，在考慮周期邊界條件的情況下，利用半隱譜法結(jié)合快速傅里葉變換算法來求解相場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合控制方程，給出穩(wěn)定收斂的有效積分方案。數(shù)值算例表明半隱譜法能在保證計(jì)算精度的條件下，降低對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)的依賴，同時(shí)擴(kuò)大了相場(chǎng)法模擬的時(shí)間尺度，較有限差分法能有效提高計(jì)算效率。 通過系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算詳細(xì)研究了材料凝固過程枝晶生長(zhǎng)，再現(xiàn)了枝晶生長(zhǎng)過程側(cè)向分支的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)機(jī)制，著重研究了初始晶核的尺寸、形狀、Stefen數(shù)等關(guān)鍵因素以及時(shí)間

3、和空間步長(zhǎng)選取等對(duì)外延生長(zhǎng)行為的影響。結(jié)果表明，隨著過冷度的增加，枝晶生長(zhǎng)加快，同時(shí)界面變得不穩(wěn)定；界面厚度取值在保證合理的情況下應(yīng)盡可能??；參數(shù)的計(jì)算應(yīng)與材料的熱物性取值相關(guān)等。 在對(duì)枝晶生長(zhǎng)的相場(chǎng)模型詳細(xì)研究的基礎(chǔ)上，將相場(chǎng)模型應(yīng)用到臺(tái)階式外延生長(zhǎng)過程的數(shù)值研究中去，采用一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的Ginzburg-Landau方程與活原子濃度擴(kuò)散方程相耦合，從而對(duì)島的形核和生長(zhǎng)進(jìn)行描述。利用該模型主要針對(duì)螺形和梯形這兩種臺(tái)階模擬含有三