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文檔簡介
1、<p> 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b> (20 屆)</b></p><p> 半導(dǎo)體Mg2Si薄膜生長過程的分子動力學(xué)模擬</p><p><b> 目 錄</b></p><p><b> 摘 要Ⅲ</b></p>
2、<p> AbstractⅣ</p><p><b> 第一章 緒論1</b></p><p> 1.1 Mg2Si的研究現(xiàn)狀1</p><p> 1.1.1 半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程1</p><p> 1.1.2 Mg2Si的基本性質(zhì)及研究現(xiàn)狀1</p><p
3、> 1.1.3 Mg2Si的計(jì)算機(jī)模擬3</p><p> 1.1.4 分子動力學(xué)模擬方法3</p><p> 1.2 磁控濺射技術(shù)4</p><p> 1.3 薄膜材料研究的意義5</p><p> 第二章 模擬薄膜生長的基本模型6</p><p> 2.1 分子動力學(xué)模擬方法
4、(MD)6</p><p> 2.1.1 分子動力學(xué)的一般理論6</p><p> 2.1.2 分子動力學(xué)模擬的基本步驟6</p><p> 2.1.3 分子動力學(xué)模擬的發(fā)展歷程7</p><p> 2.2 分子動力學(xué)模擬的具體過程8</p><p> 2.2.1 分子動力學(xué)模擬的基本原理
5、8</p><p> 2.2.2 牛頓運(yùn)動方程9</p><p> 2.2.3 原子間的相互作用勢9</p><p> 2.2.4 邊界條件11</p><p> 2.2.5 數(shù)值算法12</p><p> 2.3 實(shí)際模擬應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)13</p><p>
6、 2.3.1 體系中粒子的初始位置和初始速度13</p><p> 2.3.2 周期性邊界條件中力的處理14</p><p> 2.3.3 時(shí)間步長的選擇15</p><p> 2.3.4 溫度(能量)控制15</p><p> 2.4 薄膜生長過程16</p><p> 第三章 濺射工
7、藝對Mg2Si薄膜制備的影響18</p><p> 3.1 引 言18</p><p> 3.2 濺射時(shí)間對Mg2Si薄膜制備的影響18</p><p> 3.2.1 制備參數(shù)18</p><p> 3.2.2 XRD衍射圖19</p><p> 3.2.3 SEM衍射圖19</p
8、><p> 3.2.4 小結(jié)20</p><p> 3.3 濺射功率對Mg2Si薄膜制備的影響20</p><p> 3.3.1 制備參數(shù)20</p><p> 3.3.2 XRD衍射圖20</p><p> 3.3.3 SEM衍射圖21</p><p> 3.3.4
9、 小結(jié)21</p><p> 3.4 濺射氣壓對Mg2Si薄膜制備的影響22</p><p> 3.4.1 制備參數(shù)22</p><p> 3.4.2 XRD衍射圖22</p><p> 3.4.3 SEM衍射圖23</p><p> 3.4.4 小結(jié)23</p><
10、;p> 3.5 本章小結(jié)24</p><p> 第四章 結(jié) 論25</p><p><b> 參考文獻(xiàn)27</b></p><p><b> 致 謝28</b></p><p> 半導(dǎo)體Mg2Si薄膜生長過程的分子動力學(xué)模擬</p><p>&l
11、t;b> 摘 要</b></p><p> 論文第一章簡單介紹了第一代半導(dǎo)體材料和第二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展和應(yīng)用,以及它們各自存在的問題和由此帶來的資源危機(jī)和環(huán)境危機(jī),并且闡述了發(fā)展第三代環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料的必要性。通過引入計(jì)算機(jī)模擬,解決了實(shí)驗(yàn)理論研究存在的困難。論文第二章主要介紹分子動力學(xué)方法在模擬薄膜生長方面的一些基本原理和基本步驟,給出了幾種常用勢函數(shù)的形式,選取勢函數(shù)時(shí)應(yīng)注意它
12、們的適用范圍。充分考慮體系中粒子的初始位置和初始速度、邊界條件及時(shí)間步長的選取對模擬時(shí)的影響。第三章簡單討論了濺射工藝對Mg2Si薄膜制備的影響。</p><p> 本文一方面采用分子動力學(xué)(MD)方法模擬了Mg2Si薄膜的生長,在原子尺度上揭示膜層形成初期粒子的微觀變化過程及膜層微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律,對改進(jìn)和優(yōu)化薄膜生長工藝、提高薄膜質(zhì)量、改善薄膜性質(zhì)具有重要意義;另一方面在實(shí)驗(yàn)上采用磁控濺射技術(shù),通過改變?yōu)R射
13、參數(shù),研究了濺射工藝對Mg2Si薄膜制備的影響,并通過X射線衍射和掃描電鏡對晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行了表征。 </p><p> 關(guān)鍵詞:Mg2Si;薄膜生長;分子動力學(xué);磁控濺射</p><p> The Molecular Dynamics Simulation of growth of thin film semiconductor Mg2Si</p><p&g
14、t;<b> Abstract</b></p><p> The first chapter introduces the first generation and second-generation semiconductor materials development and application of semiconductor materials, and their resp
15、ective problems and the resulting resource crisis and environmental crisis, and describes the development of third-generation environment-friendly semiconductor materials necessity. Through the introduction of computer s
16、imulation, experimental theory to solve the difficulties. The second chapter introduces the molecular dynamics sim</p><p> This article on the one hand by molecular dynamics (MD) method to simulate the grow
17、th of Mg2Si film, the film is revealed at the atomic scale changes in the micro particle formation of the initial process and the evolution of film microstructure on the improvement and optimization of thin film growth p
18、rocess and improve the film quality, to improve the properties of the films is of great significance; the other hand, experiments on the use of magnetron sputtering technology, by changing the sput</p><p>
19、Keyword: Mg2Si; Thin film growth; Molecular Dynamics;Magnetron sputtering</p><p><b> 第一章 緒論</b></p><p> 1.1 Mg2Si的研究現(xiàn)狀</p><p> 1.1.1 半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程</p><p>
20、; 新型半導(dǎo)體材料的研究和突破,常常導(dǎo)致新的技術(shù)革命和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。作為第一代半導(dǎo)體材料,硅基半導(dǎo)體材料及其集成電路的發(fā)展導(dǎo)致了微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和整個(gè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的飛躍,并廣泛應(yīng)用于信息處理、自動控制等領(lǐng)域,對人類社會的發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用。硅基半導(dǎo)體材料雖然在微電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但硅材料本身間接能帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)限制了其在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著以光通信為基礎(chǔ)的信息高速公路的崛起和社會信息化的發(fā)展,第二代半導(dǎo)體材料嶄露頭角,砷化鎵和
21、磷化銦半導(dǎo)體激光器成為光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件。同時(shí),砷化鎵高速器件也開拓了移動通信的新產(chǎn)業(yè)。</p><p> 這些半導(dǎo)體器件中經(jīng)常用到的重化學(xué)元素(如Ga,As及In等)及其化合物通常對人體是有毒害的。并且這些元素在地球中的資源壽命也是非常有限的。但即使是這樣,考慮到元素的性能,它們還是被大量的使用著。因此我們必須面對在人類賴以生存的地球上由于廣泛使用重化學(xué)元素半導(dǎo)體材料而產(chǎn)生的自然資源短缺和環(huán)境污染問題。
22、而發(fā)展新型環(huán)保的,可持速發(fā)展的環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料也就成為了工業(yè)發(fā)展和人類社會進(jìn)步的迫切要求。</p><p> 環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料[1],也就是使用資源豐富,毒性小,對生態(tài)的適應(yīng)性高的元素,即對環(huán)境好的半導(dǎo)體;能回收和再生利用,能源消耗少,對環(huán)境負(fù)荷小的半導(dǎo)體材料;有助于能源和環(huán)境的太陽能電池,熱電變換元素等特點(diǎn)的半導(dǎo)體材料。</p><p> 1.1.2 Mg2Si的基本性質(zhì)及
23、研究現(xiàn)狀</p><p> Mg2Si是Mg-Si二元體系中唯一的穩(wěn)定存在的化合物,具有類CaF2的反螢石晶體結(jié)構(gòu)[2],如圖1.1所示,空間群為Fm3m,面心立方(fcc)晶體。一個(gè)Mg2Si晶胞中含4個(gè)硅原子,8個(gè)鎂原子,符合Mg2Si的化學(xué)計(jì)量比Mg/Si=2∶1。晶胞中硅原子位于邊長為的立方晶胞的各個(gè)角頂,形成面心立方結(jié)構(gòu);鎂原子填充在內(nèi)部形成邊長為a/2的簡立方結(jié)構(gòu),具有較高的對稱性。Mg2Si的晶格
24、常數(shù)=0.635nm,它屬于正常價(jià)金屬間化合物[3],幾何密排相為GCP。</p><p> 金屬硅化物半導(dǎo)體材料例如Mg2Si,β-FeSi2以及Ca2Si等,這些硅化物無毒,又由在地殼中儲量極其充足的高克拉克數(shù)原子化學(xué)元素Si(25.8%),F(xiàn)e(4.7%),Ca(3.4%),Mg(1.9%)組成。這些金屬-硅化物半導(dǎo)體在光電應(yīng)用和能量器件應(yīng)用上有很好的性質(zhì)。特別是Mg2Si,由于Mg2Si具有高的熱電勢率
25、和低的導(dǎo)熱率,并且可以在Si基襯底上外延生長[4],因此在熱電材料,電池材料等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。由于Mg2Si被認(rèn)為是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ臒犭姴牧蟍5]之一,因而被廣泛的研究。</p><p> 圖1.1 Mg2Si晶體結(jié)構(gòu)圖</p><p> 作為一種新型的環(huán)境半導(dǎo)體材料,Mg2Si以具有極低的密度,高熔點(diǎn),低膨脹系數(shù),高熱穩(wěn)定性等優(yōu)異性能而倍受人們的青睞。并且組成Mg2Si材
26、料的元素硅和鎂在地層中的蘊(yùn)藏量大,價(jià)格低廉,耐腐蝕,對環(huán)境無污染,是一種理想的環(huán)境半導(dǎo)體材料。</p><p> 國外對于環(huán)境半導(dǎo)體硅化合物作為光電子材料的研究,歐洲最先開始,英國和德國在2000年以前就合作開展了一個(gè)叫ESPRIT的有關(guān)環(huán)境硅化合物半導(dǎo)體材料的研究計(jì)劃。日本于1996年開始這方面的研究,并于1998開始,每年都召開有關(guān)環(huán)境半導(dǎo)體材料的學(xué)術(shù)會議,并與英國開展合作研究。1997年M.Riffel研
27、究了Mg2Si的熱電性質(zhì),并分析了氧化物對熱電性能的影響。 </p><p> 在國內(nèi),目前對半導(dǎo)體Mg2Si材料的研究較少,中國科學(xué)院固體物理所秦曉英課題組[6]對納米晶Mg2Si金屬間化物塊體材料進(jìn)行了研究;武漢理工大學(xué)姜洪義等人[7]就采用粉末冶金法將銀摻雜入Mg2Si中,將n-型Mg2Si轉(zhuǎn)變?yōu)镻-型Mg2Si材料,并對它的熱電性質(zhì)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn),隨著摻雜量的增加,材料的賽貝克系數(shù)和電導(dǎo)率均增加,
28、當(dāng)銀的摩爾分?jǐn)?shù)為1.5×10-3時(shí),Mg2Si的Z和ZT值均最大。</p><p> 在Mg2Si半導(dǎo)體材料制備技術(shù)方面,通常采用粉末冶金法和熔融法來制備塊體Mg2Si半導(dǎo)體材料,采用熱蒸發(fā)方法,分子束外延等方法制備半導(dǎo)體Mg2Si薄膜材料,而采用具有工業(yè)化優(yōu)勢的磁控濺射技術(shù)來制備半導(dǎo)體Mg2Si薄膜材料卻顯有先例。</p><p> 1.1.3 Mg2Si的計(jì)算機(jī)模擬&l
29、t;/p><p> 人類研究材料加工、制備的傳統(tǒng)方法主要是通過實(shí)驗(yàn)摸索來研究各種工藝條件下材料性能的變化,然后通過比較材料的性能來選擇合適的工藝參數(shù)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天,繼續(xù)采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究方法研究材料科學(xué)就顯得力不從心了,此時(shí),計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,以其特有的優(yōu)勢推動了材料科學(xué)的發(fā)展。</p><p> 隨著材料科學(xué)研究繼續(xù)深入,研究體系越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)理論研究中解析、演繹、推
30、導(dǎo)的方法已經(jīng)不敷應(yīng)用,試驗(yàn)研究方法來制備和加工材料的許多缺點(diǎn):如周期長、代價(jià)高、盲目性大等等,使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究與計(jì)算機(jī)模擬漸行漸遠(yuǎn)。通常實(shí)驗(yàn)研究過程中儀器設(shè)備的局限性也限制了對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確求解,而且由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大,不通過特定物理模型下的計(jì)算機(jī)處理,也很難得出有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以從理論和模擬上預(yù)測材料的性能及研究制備參數(shù)對材料的影響得到了重視[8]。</p><p> 計(jì)算機(jī)模擬相對于傳統(tǒng)理論研究方法具有突出的
31、特點(diǎn):</p><p> 計(jì)算機(jī)模擬更適合研究復(fù)雜體系。同時(shí)允許對模型和試驗(yàn)進(jìn)行比較,從而提供了一個(gè)評估模型正確與否的手段。</p><p> 計(jì)算機(jī)模擬比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究省錢省時(shí)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資大,建設(shè)周期長,且準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)也費(fèi)時(shí)、費(fèi)人、費(fèi)力。而用計(jì)算機(jī)來模擬就簡單的多。</p><p> 計(jì)算機(jī)模擬比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究具有更大的自由度和靈活性,它不存在系統(tǒng)誤差和測量誤
32、差,沒有測試探頭的干擾問題,可以任意選取參數(shù)。</p><p> 計(jì)算機(jī)模擬也可以涉足傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究很困難甚至不能進(jìn)行的場合。</p><p> 因此,由于實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究存在的困難,引入計(jì)算機(jī)模擬就顯得非常必要。</p><p> 1.1.4 分子動力學(xué)模擬方法</p><p> 分子動力學(xué)是一套分子模擬方法,該方法主要是依靠牛頓力學(xué)來
33、模擬分子體系的運(yùn)動,在由分子體系的不同狀態(tài)構(gòu)成的系綜中抽取樣本,從而計(jì)算體系的構(gòu)型積分,并且以構(gòu)型積分的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)一步計(jì)算體系的熱力學(xué)量和其他宏觀性質(zhì)。</p><p> 分子動力學(xué)(MD)方法是20世紀(jì)50年代后期由B.J.Alder和T.E.Wainwright創(chuàng)造發(fā)展起來的。表1.1所示的是分子動力學(xué)方法的發(fā)展歷程[9]。1957年,Alder和認(rèn)厄inwright發(fā)表了第一篇探討分子動力學(xué)的論文,研究
34、了硬球模型系統(tǒng)的固態(tài)和液態(tài)的相變過程。1964年,Rahman把MD方法應(yīng)用到Lennard-Jones相互作用體系中,并在模擬中采用在每一微小時(shí)間步長內(nèi)計(jì)算每個(gè)粒子所受到的作用力的方法,稱為step by step的程序步驟,以研究體系的時(shí)間演化。2000年,呂華威[10]采用Stillinger-Webe二體和三體作用勢,模擬了襯底溫度為1000K時(shí)團(tuán)簇沉積C-N薄膜的過程。郭玉寶等人使用Materials Studio程序包中的C
35、VFF力場,對甘氨酸分子在單壁納米管中的吸附和擴(kuò)散行為進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬,并對甘氨酸分子在單臂納米碳管中的構(gòu)象和能量進(jìn)行了優(yōu)化。模擬計(jì)算結(jié)果表明:甘氨酸在納米碳管中的構(gòu)象發(fā)生了伸縮和扭轉(zhuǎn),這種構(gòu)象的改變將會導(dǎo)致氨基酸生物性能的改變;納米碳管對氨基酸分子具有較強(qiáng)的吸附作用,其中納米碳管和氨基酸分子之間的π-π相互作用增</p><p> 表1.1 分子動力學(xué)方法發(fā)展一覽表</p><p&g
36、t; 分子動力學(xué)研究顯示,團(tuán)簇初始能量和襯底溫度對團(tuán)簇在襯底表面的擴(kuò)散遷移能力以及所沉積薄膜的結(jié)構(gòu)有巨大影響。從而使得分子動力學(xué)方法對實(shí)際體系的應(yīng)用成為可能,至今為止分子動力學(xué)可模擬的體系可達(dá)到1萬到100萬個(gè)原子,可以模擬的尺度可達(dá)到10ns。這些工作的不斷深入開展必將對沉積高質(zhì)量的薄膜有著深遠(yuǎn)的意義。</p><p> 1.2 磁控濺射技術(shù)</p><p> 磁控濺射(Magn
37、etron Sputtering,MS)是一種物理沉積方法,它的基本原理是在電場的作用下使電子加速飛向基片,并與惰性氣體原子發(fā)生碰撞,電離出大量離子和電子,在電子飛向基片的同時(shí),惰性氣體離子在電場的作用下加速轟擊靶材,濺射出大量靶材原子,呈中性的原子(或分子)沉積在基片上,形成薄膜。</p><p> 作為一種薄膜的物理氣相沉積方法,它的主要特點(diǎn)包括[11]:</p><p> 它是一
38、種低成本且大面積使用的薄膜制備技術(shù),在工業(yè)上有很高的應(yīng)用價(jià)值。</p><p> 濺射的靶材可以是極難熔融的材料,可以方便地應(yīng)用于高熔點(diǎn)物質(zhì)的濺射和薄膜制備。</p><p> 能夠在低溫下沉積薄膜,并且薄膜的生長速率很高,最高可達(dá)12µm/min。</p><p> 可通過調(diào)整濺射粒子的動能來控制薄膜的微結(jié)構(gòu),改善薄膜的制備性能。</p>
39、;<p> 由于沉積到基片上的濺射粒子能量比較高,所形成的納米材料附著力大,薄膜的組織更致密,有助于改善薄膜對于復(fù)雜形狀表面的覆蓋能力,降低薄膜表面的粗糙度。</p><p> 1.3 薄膜材料研究的意義</p><p> 飛速發(fā)展的固態(tài)高科技技術(shù)產(chǎn)業(yè)(集成電路產(chǎn)業(yè)、磁記錄材料和器件產(chǎn)業(yè)、固體發(fā)光和激光器件產(chǎn)業(yè)等),使薄膜科學(xué)和薄膜技術(shù)越來越受到重視[12]。薄膜材料
40、科學(xué)作為現(xiàn)代材料科學(xué)各分支中發(fā)展最為迅速的原因有很多,總結(jié)起來可包含三個(gè)方面:</p><p> 現(xiàn)代微電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展打破了以往體材料壟斷市場的局面,過去需要眾多材料組合才能實(shí)現(xiàn)的功能,現(xiàn)在僅僅需要少數(shù)幾個(gè)器件或一塊集成電路板就可以完成,實(shí)現(xiàn)器件和系統(tǒng)微型化最為有效的技術(shù)手段正是薄膜技術(shù)。</p><p> 器件微型化在保持器件原有功能的基礎(chǔ)上使現(xiàn)有功能得到強(qiáng)化,隨著器件尺寸減小到
41、接近微觀尺度,薄膜材料器件將顯示出更多全新的物理現(xiàn)象,所以薄膜技術(shù)作為器件微型化的關(guān)鍵技術(shù)是制備具有新型功能器件的有效手段之一。</p><p> 每種材料的性能都存在局限,而薄膜技術(shù)則可將各種不同性能的材料靈活地復(fù)合在一起,構(gòu)成具有優(yōu)異特性的復(fù)雜材料體系,發(fā)揮各種材料獨(dú)特的優(yōu)勢,避免了單一材料的某些局限性。</p><p> 由于薄膜材料的研究和開發(fā)對產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)貢獻(xiàn)日益增大,薄膜科學(xué)研
42、究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的速度不斷加速等等,都迫使人們對薄膜材料的研究進(jìn)一步深化。而且薄膜材料的科學(xué)研究和其生產(chǎn)是緊密相連的,如果沒有對薄膜生長過程中原子的行為有深刻的了解,就很難制造出高質(zhì)量的薄膜材料,從而不能發(fā)揮出薄膜材料特有的高性能。計(jì)算機(jī)模擬可從微觀上揭示薄膜的生長過程,可以方便的改變?yōu)R射參數(shù),并觀察相應(yīng)參數(shù)的改變對薄膜生長的影響;計(jì)算機(jī)模擬可以優(yōu)化濺射參數(shù),找到最優(yōu)的濺射參數(shù),提高薄膜性能,為實(shí)驗(yàn)提供參考。</p>&
43、lt;p> 第二章 模擬薄膜生長的基本模型</p><p> 2.1 分子動力學(xué)模擬方法(MD)</p><p> 2.1.1 分子動力學(xué)的一般理論</p><p> 分子動力學(xué)模擬的基本思想,是把物質(zhì)還原為由分子和原子組成的粒子系統(tǒng),并假設(shè)粒子運(yùn)動遵循由經(jīng)典力學(xué)或量子力學(xué)描述的規(guī)律。如果已知粒子上的所有作用力,即可求解運(yùn)動方程而得到系統(tǒng)中全體粒
44、子在相空間中的運(yùn)動軌跡,進(jìn)而計(jì)算該系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)和輸運(yùn)特性。分子動力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬是研究復(fù)雜的凝聚態(tài)系統(tǒng)的有力工具。對于平衡系統(tǒng),可以在一個(gè)分子動力學(xué)觀察時(shí)間內(nèi)來計(jì)算一個(gè)物理量的統(tǒng)計(jì)平均值。對于一個(gè)非平衡系統(tǒng)過程,只要發(fā)生在一個(gè)分子動力學(xué)觀察時(shí)間內(nèi)(一般為1-10ps)的物理現(xiàn)象也可以用分子動力學(xué)計(jì)算進(jìn)行直接模擬。可見數(shù)值實(shí)驗(yàn)是對物理實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充。特別是許多與原子有關(guān)的微觀細(xì)節(jié),在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中無法獲得,而在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)模擬中可以方便
45、的得到。這種優(yōu)點(diǎn)使分子動力學(xué)在材料科學(xué)研究中顯得非常有吸引力。</p><p> 分子動力首先學(xué)假定原子的運(yùn)動軌跡是由牛頓運(yùn)動方程決定的,這意味著原子的運(yùn)動是與特定的軌跡聯(lián)系在一起的。要進(jìn)行分子動力學(xué)模擬,就需要知道原子間正確的相互作用勢,從而必須知道相應(yīng)的電子基態(tài)。分子動力學(xué)模擬中一般只能采用經(jīng)驗(yàn)勢來代替原子間實(shí)際作用勢,如Lennard-Jones勢之類的二體作用勢。這種替代可能對惰性氣體之類的系統(tǒng)進(jìn)行模擬
46、有效,但實(shí)際材料科學(xué)中感興趣的問題都是多體效應(yīng)的結(jié)果,不可能只用二體勢代替解決。盡管人們長期以來對金屬和共價(jià)鍵系統(tǒng)的模型作了許多嘗試,并取得了一些成果,但一般一種模型的作用勢只能適用于一種原子,不能滿足實(shí)際模擬的需要。因此,在使用時(shí)必須注意它們的適用范圍。</p><p> 2.1.2 分子動力學(xué)模擬的基本步驟</p><p> 分子動力學(xué)模擬的過程大致可以分為以下幾個(gè)步驟[13]:
47、</p><p> 確定起始構(gòu)型:進(jìn)行分子動力學(xué)模擬的第一步是確定起始構(gòu)型,一個(gè)能量較低的起始構(gòu)型是進(jìn)行分子模擬的基礎(chǔ),一般分子的起始構(gòu)型主要來自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或量子化學(xué)計(jì)算。在確定之后要賦予構(gòu)成分子的各個(gè)原子速度,這一速度是根據(jù)波爾茲曼分布隨機(jī)生成的,由于速度的分布符合波爾茲曼統(tǒng)計(jì),因此在這個(gè)階段,體系的溫度是恒定的。另外,在隨機(jī)生成各個(gè)原子的速度之后需進(jìn)行調(diào)整,使得體系在各個(gè)方向上的動量之和為零,即保證體系沒有平
48、動位移。</p><p> 進(jìn)入平衡相:由上一步確定的分子組建立平衡相,在構(gòu)建平衡相的時(shí)候會對構(gòu)型、溫度等參數(shù)加以監(jiān)控。</p><p> 進(jìn)入生產(chǎn)相:進(jìn)入生產(chǎn)相之后體系中的分子和分子中的原子開始根據(jù)初始速度運(yùn)動,可以想象其間會發(fā)生吸引、排斥乃至碰撞,這是根據(jù)牛頓力學(xué)和預(yù)先給定的粒子間相互作用勢來對各個(gè)粒子的運(yùn)動軌跡進(jìn)行計(jì)算,在這個(gè)過程中,體系總的能量不變,但分子內(nèi)部勢能和動能不斷相互
49、轉(zhuǎn)化,從而體系的溫度也不斷變化,在整個(gè)過程中,體系會遍歷勢能面上的各個(gè)點(diǎn),計(jì)算的樣本正是在這個(gè)過程中抽取的。</p><p> 計(jì)算結(jié)果:用所得體系的各個(gè)狀態(tài)計(jì)算當(dāng)時(shí)體系的勢能,進(jìn)而計(jì)算構(gòu)型積分。</p><p> 2.1.3 分子動力學(xué)模擬的發(fā)展歷程</p><p> 早期計(jì)算機(jī)模擬的模型都非常簡單,模擬的內(nèi)容主要集中在一些簡單的單原子流體。近三十年來,隨
50、著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,計(jì)算機(jī)的功能越來越強(qiáng),速度也越來越快,這就為計(jì)算機(jī)模擬的發(fā)展供了非常有利的條件?,F(xiàn)在計(jì)算機(jī)模擬所針對的體系越來越復(fù)雜,模擬應(yīng)用的范圍也越來越越廣。固體表面結(jié)構(gòu)、液體結(jié)構(gòu)、離子注入、輻照損傷、異質(zhì)催化、酶的行為、薄膜生長等,都可以通過計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行研究。</p><p> 在分子動力學(xué)模擬方法中,勢能函數(shù)的選取是材料計(jì)算機(jī)模擬的核心問題。勢能函數(shù)選取的好壞直接關(guān)系到模擬結(jié)果的正確與否。因此
51、,繼續(xù)開展原子間相互作用勢的研究很有意義。以Daw-Baskes和Finnis-Sinclair為代表,依據(jù)局域密度函數(shù)理論發(fā)展起來的嵌入原子法(EAM),是一種可以精確地產(chǎn)生原子間相互作用勢的方法。</p><p> 分子動力學(xué)方法尤其適合于研究薄膜生長的動力學(xué)過程。分子動力學(xué)方法既可以提供擴(kuò)散過程的定性知識,也可以給出不同機(jī)制的擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散勢壘的定量信息。早在1985年,Schneider等人就首次運(yùn)用分
52、子動力學(xué)方法研究了Lennard-Jones體系的FCC點(diǎn)陣的生長。隨著各種各樣的多體勢的出現(xiàn),這類模擬很快被運(yùn)用于研究Si,Cu以及其它金屬的擴(kuò)散、分子束外延和一些薄膜生長過程。但分子動力學(xué)的主要缺點(diǎn)是模擬的時(shí)間標(biāo)度和長度標(biāo)度不可能延伸到介觀或宏觀范圍。這主要是因?yàn)镸D模擬的時(shí)間步長不能比聲子頻率的倒數(shù)長,一般只能取原子振動周期的幾十分之一甚至幾百分之一。近來,Voter和Gong等人發(fā)展了一種超分子動力學(xué)的方法,可以大大地延長MD模
53、擬的時(shí)間標(biāo)度。</p><p> 分子動力學(xué)(MD)模擬的開創(chuàng)性工作是1960年J.B.Gibson等人關(guān)于低能輻照損傷的研究。雖然四十多年來,MD模擬隨著一代又一代新計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而有了長足的發(fā)展,但其基本原理并未改變。MD模擬己經(jīng)用于固體中原子碰撞中的眾多問題,如缺陷的形成和遷移、離位閾能的計(jì)算、移位級聯(lián)的空間構(gòu)型、級聯(lián)發(fā)展過程、濺射機(jī)理、高能量密度級聯(lián)以及薄膜生長、表面重構(gòu)、界面混合等計(jì)算機(jī)模擬的新領(lǐng)域。隨
54、著原子間相互作用勢的發(fā)展,MD模擬己被廣泛應(yīng)用到對C,Si,Ga,As等重要的半導(dǎo)體材料的模擬上。它己成為材料科學(xué)研究領(lǐng)域里對微觀結(jié)構(gòu)和微觀過程進(jìn)行研究的一個(gè)重要方法。</p><p> 2.2 分子動力學(xué)模擬的具體過程</p><p> 圖2.1所示的是分子動力學(xué)方法的流程圖。薄膜作為一種越來越廣泛使用的高性能的材料,它的研究工作隨著薄膜技術(shù)和不同性能的薄膜的需要而日趨深化。要更好
55、地研究薄膜,就需要在原子的尺度上揭示薄膜的生長過程,了解薄膜形成的演化規(guī)律。</p><p> 圖2.1 MD方法流程圖</p><p> 2.2.1 分子動力學(xué)模擬的基本原理</p><p> 一個(gè)體系的微觀狀態(tài)可以由組成體系的N個(gè)粒子的坐標(biāo)和動量來確定。在原子層次的模擬中,原子是組成體系的基本粒子,體系的Hamiltonian量為原子坐標(biāo)和動量的函數(shù):&
56、lt;/p><p><b> ?。?-1)</b></p><p> 式中是廣義坐標(biāo),是廣義動量。</p><p> 如果體系中粒子間的相互作用勢表示為對勢,則有:</p><p><b> ?。?-2)</b></p><p> 是粒子質(zhì)量,是粒子動量,是外場的作用。&l
57、t;/p><p> 由式3-1和式3-2可得:</p><p><b> ?。?-3)</b></p><p> 式中,是粒子受到的力。</p><p> 求解上述微分方程組就可計(jì)算體系在任何時(shí)間的性質(zhì)和狀態(tài)。若不考慮外場的作用,勢函數(shù)決定了方程求解是否正確。</p><p> 2.2.2
58、牛頓運(yùn)動方程</p><p> 分子動力學(xué)中最基本的運(yùn)動方程為牛頓運(yùn)動方程:</p><p><b> ?。?-4)</b></p><p> 由式2-4可知,只要確定粒子間的相互作用勢(力場);給出粒子的初始位置,初始速度,就可以求出此粒子的運(yùn)動軌跡,進(jìn)而計(jì)算該系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)和輸運(yùn)特性。</p><p> 2.
59、2.3 原子間的相互作用勢</p><p> 勢函數(shù)的選取是分子動力學(xué)模擬的核心問題。勢能函數(shù)選取的好壞直接關(guān)系到模擬結(jié)果的正確與否。盡管第一性原理在分子動力學(xué)方法原則上可以精確地描述粒子系統(tǒng),但在目前條件下,這種方法還難以用到包含大量原子的系統(tǒng)()。因此,考慮到計(jì)算的效率,通常選用經(jīng)驗(yàn)勢或半經(jīng)驗(yàn)勢作為系統(tǒng)。這類勢函數(shù)一般是通過擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的,由于擬合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限,因此經(jīng)驗(yàn)勢通常只反映了系統(tǒng)的某些特性,
60、在使用時(shí)必須注意它們的適用范圍。</p><p> 下面介紹幾種常用的勢函數(shù):</p><p> Lennard-Jones(LJ) 勢:</p><p> 1924年,針對惰性氣體原子提出了Lennard-Jones勢函數(shù)。一般LJ勢函數(shù)的形式為:</p><p><b> (2-5)</b></p>
61、;<p> 式中第一項(xiàng)是泡利不相容原理導(dǎo)致的排斥勢,第二項(xiàng)是偶極相互作用產(chǎn)生的</p><p> 吸引勢,是表示力的強(qiáng)度的參數(shù),是表示原子大小的參數(shù)。LJ勢適用于惰性氣體原子的固體和液體。</p><p><b> Morse勢:</b></p><p> Morse勢函數(shù)的一般形式是:</p><p&
62、gt;<b> (2-6)</b></p><p> 式中D,a,可以通過對凝聚能、平衡時(shí)的點(diǎn)陣常數(shù)和體彈模量的擬合給出。當(dāng)a=6時(shí),Morse勢與LJ勢(式2-5)非常接近。Morse勢廣泛應(yīng)用于金屬材料的MD模擬。</p><p> Stillinger-Weber勢(SW)勢:</p><p> 對于Si和Ge等半導(dǎo)體,其鍵合強(qiáng)度
63、依賴周圍原子的配置,必須引入三體力及以上的所謂多體力。SW勢是由F.H.stillinger和T.A.Weber在1985年提出的,其一般形式為: </p><p><b> ?。?-7)</b></p><p> 式中第一項(xiàng)為二體力,第二項(xiàng)為三體力。SW勢是保證正四面體結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的勢函數(shù),所以一般只用于描述金剛石結(jié)構(gòu)的Si和Ge等半導(dǎo)體材料。</p>
64、<p> Tersoff勢和Brenner勢:</p><p> 介Tersoff勢和Brenner勢起源于Abell引入的有關(guān)碳的處理方法,是一種鍵合強(qiáng)度依賴于周圍原子配置的勢。Tersoff勢不僅能正確描述sP3成鍵類型的金剛石體系,而且對低于或高于4配位的結(jié)構(gòu)也能給出正確的描述,更加適合表面體系的研究。如在基板上沉積Mg2Si薄膜。Tersoff勢和Brenner勢的一般形式為:</p
65、><p><b> ?。?-8)</b></p><p> 式中是原子i和原子j的鍵合距離; 是相互作用中斷函數(shù),可表示為:</p><p><b> ?。?-9)</b></p><p> 表示鍵合強(qiáng)度,是體現(xiàn)多體效應(yīng)的重要因子,其形式為:</p><p> 是有效配位數(shù)
66、,是鍵與鍵之間的夾角。</p><p> 在MD模擬過程中值得注意的是,原子間相互作用的過程必須充分考慮。因?yàn)?,如果不采取措施,在對所有間距的原子進(jìn)行計(jì)算時(shí),一個(gè)MD程序所需的總的執(zhí)行時(shí)間可能有99%以上是用來計(jì)算運(yùn)動所需要的力,這顯然是不可取的。一般,勢函數(shù)在原子相距較遠(yuǎn)時(shí)衰減的很慢,但相互作用已經(jīng)變的非常小,故在一般實(shí)際應(yīng)用中會選取勢函數(shù)作用的一個(gè)截?cái)喟霃?,認(rèn)為所有距離大于的原子之間沒有力的相互作用。顯然,
67、大小的選取對模擬的結(jié)果也起著重要作用。</p><p> 2.2.4 邊界條件</p><p> 盡管計(jì)算機(jī)技術(shù)還在飛速發(fā)展,MD己經(jīng)可以用于多達(dá)百萬個(gè)原子的模擬,但是這樣大的體系尺寸仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真實(shí)材料的尺寸。例如:即使模擬一個(gè)三維的有即100萬個(gè)原子的的體系,其每維的尺寸也只有100A左右,但這對于模擬系統(tǒng)來講,已經(jīng)是非常大的了。因此,在模擬體系中必然存在著邊界或界面,所以需要處理
68、邊界問題。</p><p> 理想的晶體具有空間排列周期性,根據(jù)周期性,只要知道了一塊區(qū)域的物理性質(zhì),則對全部區(qū)域的性質(zhì)都可以評估了解。在模擬研究中借用了這種思想,一般就在薄膜研究中采用周期性邊界條件。</p><p> 在模擬粒子沉積襯底表面形成吸附原子或長成薄膜時(shí),由于入射粒子帶有一定的動量,所以一碰撞到襯底,襯底中心就會整體移動,為了克服這種現(xiàn)象,通常在外延方向(即Z方向)不賦予
69、周期性條件,而使襯底的底部數(shù)層原子的坐標(biāo)固定,然后在x-Y方向使用周期性邊界條件,即</p><p><b> ?。?-10)</b></p><p> 式中、分別是在x,Y方向的周期矢量l、m為任意整數(shù)。</p><p> 一般地,當(dāng)有一個(gè)粒子穿過我們模擬選定的晶胞六方體的側(cè)面時(shí),相當(dāng)于讓這個(gè)粒子以相同的速度穿過此側(cè)面對面的表面重新進(jìn)入分
70、子動力學(xué)晶胞內(nèi)。</p><p> 2.2.5 數(shù)值算法</p><p> 由式2-3和式2-4可知,在連續(xù)勢作用下,粒子各個(gè)時(shí)刻受到的力與其運(yùn)動軌跡都是連續(xù)的。有限差分方法是計(jì)算機(jī)求解連續(xù)方程的主要方法。其主要做法是在計(jì)算中,把時(shí)間分成很多分立的時(shí)間步,每步長為。在任一時(shí)刻,計(jì)算粒子所受的合力,給出其加速度。根據(jù)粒子在時(shí)刻的位置和速度,計(jì)算出粒子在+時(shí)刻的位置與速度(在此時(shí)間步長中
71、,被認(rèn)為是常數(shù))。重新計(jì)算力,得到+2時(shí)刻的速度與位置。以次類推,即可得到粒子的整個(gè)運(yùn)動軌跡。</p><p> 數(shù)值積分算法有多種方法。算法選擇的關(guān)鍵在于該算法應(yīng)能保證系統(tǒng)能量和動量的守恒,且方程應(yīng)是時(shí)間可逆的;算法中可以使用較大的時(shí)間步長,以保證迭代的次數(shù)盡量少。當(dāng)然還有重要一點(diǎn)就是算法簡單,容易實(shí)現(xiàn)。MD模擬中常用的算法有Verlet算法、Leap-frog算法,Velocity-Verlet算法、預(yù)測修
72、正算法等。</p><p> Verlet算法是分子動力學(xué)中最為普遍使用且簡單的方法,其基本思想是隨時(shí)間的位移把粒子作Taylor展開:</p><p><b> ?。?-11)</b></p><p><b> ?。?-12)</b></p><p> 將式(2-11)和式(2-12)兩式相減
73、,得:</p><p><b> ?。?-13)</b></p><p> 忽略式中右邊第二項(xiàng)和第三項(xiàng),速度的誤差量級在。</p><p> 將式(2-11)和式(2-12)兩式相加,忽略及以上的高階項(xiàng),得:</p><p><b> ?。?-14)</b></p><p&g
74、t;<b> 式中</b></p><p> Verlet算法用時(shí)刻和-時(shí)刻的粒子位置表示+時(shí)刻粒子位置,而沒有通過速度來求解使得位置的誤差是量級。</p><p> 實(shí)際計(jì)算中,在第一步時(shí)一般給出初始位置和初始速度得出下式:</p><p><b> (2-15)</b></p><p>
75、 Verlet算法的程序?qū)崿F(xiàn)很簡單,需要存儲的量也不大。其特點(diǎn)是保持了時(shí)間可逆性(這是牛頓方程的基本性質(zhì)),但時(shí)間對稱性最終可能由于數(shù)值計(jì)算誤差而被破壞;速度的誤差比位置的誤差高兩個(gè)量級,對位置的計(jì)算精度高;整個(gè)算法中完全不依賴于粒子速度(甚至可以不計(jì)算速度);速度的計(jì)算比位置計(jì)算慢一個(gè)時(shí)間步。在能量守恒方面Verlet算法雖只有中等的短時(shí)間守恒性,但不會導(dǎo)致長時(shí)間下的總能量漂移。</p><p> 2.3
76、 實(shí)際模擬應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)</p><p> 2.3.1 體系中粒子的初始位置和初始速度</p><p> 粒子的初始位置可由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接給出,也可根據(jù)理論模型推導(dǎo)得出。一般均由理想晶體原子的平衡位置給出粒子的初始位置。</p><p> 對于粒子的初始速度,當(dāng)溫度為T時(shí),粒子i在每個(gè)維度上的速度分布均滿足Maxwell-Boftzmann分布,以在X軸方向
77、上的速度為例:</p><p><b> (2-16)</b></p><p> 計(jì)算機(jī)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器給出的隨機(jī)數(shù)一般在[0,1]區(qū)間內(nèi)均勻分布。所以必須把這樣一個(gè)均勻分布轉(zhuǎn)化到標(biāo)準(zhǔn)的高斯分布。Gaussian分布為:</p><p><b> (2-17)</b></p><p> 式中為平
78、均值,為方差。</p><p> 如先產(chǎn)生12個(gè)在[0,l]上均勻分布的隨機(jī)數(shù),,…,則:</p><p><b> (2-18)</b></p><p> 滿足標(biāo)準(zhǔn)Gaussian分布。</p><p> 而平均值為,方差為的Gaussian分布可由下式得到:</p><p><b
79、> (2-19)</b></p><p> 在實(shí)際運(yùn)用中很容易得到系統(tǒng)中粒子的速度平均值,所以從式2-19我們就可得到系統(tǒng)各個(gè)粒子的初始速度。</p><p> 2.3.2 周期性邊界條件中力的處理</p><p> 我們以圖2.2來說明二維周期性邊界條件中相互作用力的處理方式。</p><p> 圖2.2 薄膜
80、周期性邊界條件示意圖</p><p> 把晶胞1作為體系選取的晶胞,其邊長為單位長度1(邊長>2),其在X軸方向和Y軸方向的區(qū)間均是,分布有A,B,C,D四個(gè)原子。晶胞2,3,…,9分別是其在X-Y平面平移后的鏡像晶胞。若計(jì)算所有原子間的距離,以確定近鄰原子數(shù),則計(jì)算效率非常低。</p><p> 對于邊長>2的周期性表面,容易證明:任一原子A與某原子B及B在其它晶胞內(nèi)的鏡
81、像原子的作用之和可以用與A原子與最近鄰的鏡像B原子的相互作用來代替。</p><p> 就以晶胞l和晶胞2為例來說明邊界條件的處理方式。晶胞l中的原子在晶胞2中的鏡像原子分別是A2,B2,C2,D2。</p><p> 若計(jì)算原子A和原子B以及B的鏡像原子間的相互作用,設(shè)</p><p><b> ,;</b></p>&l
82、t;p><b> 則,。</b></p><p> B2即為與A最近鄰的鏡像原子,計(jì)算原子A與原子B2的相互作用即可得到A原子與B原子以及B原子的鏡像原子的相互作用。</p><p> 所以,當(dāng)兩原子x,Y坐標(biāo)差值的絕對值均小于1/2晶胞邊長時(shí),即為最近鄰的原子。</p><p> 2.3.3 時(shí)間步長的選擇</p>
83、<p> 時(shí)間步長的選擇對模擬的結(jié)果也有著重要的影響。理論上當(dāng)然是選擇的越小就越能真實(shí)反應(yīng)粒子間的相互作用。但太小的,覆蓋相同的相空間所需的計(jì)算步數(shù)會太多,計(jì)算效率低,不合實(shí)際應(yīng)用。太大則容易引起算法不穩(wěn)定,從而導(dǎo)致系統(tǒng)的能量、動量不守恒。一般來說,應(yīng)該比所研究體系的最短運(yùn)動周期至少小一個(gè)數(shù)量級。MD模擬原子流體時(shí),應(yīng)遠(yuǎn)小于兩次原子碰撞的平均時(shí)間間隔。MD模擬分子形變時(shí),應(yīng)約為最短運(yùn)動周期的1/10。在分子中,最高頻的振
84、動模對應(yīng)于鍵的伸縮,一般的振動頻率為/s,故一般為lfs左右。幾種不同體系建議采用的時(shí)間步長見表2.1。</p><p> 表 2.1 不同體系運(yùn)動類型建議采用的時(shí)間步長</p><p> 2.3.4 溫度(能量)控制</p><p> 在MD的計(jì)算過程中,因?yàn)閿?shù)值上的計(jì)算誤差,或各種理論所假設(shè)的近似方程,會使得模擬系統(tǒng)的能量和理論值有所出入,此時(shí)必須適當(dāng)調(diào)
85、整系統(tǒng)。以恒溫系統(tǒng)為例:在微觀尺度下,溫度是原子平均動能的表現(xiàn)。在MD模擬進(jìn)行的過程中,若系統(tǒng)溫度發(fā)生變化,則可以調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)原子的速度,將溫度調(diào)整至理論值。</p><p> 在用MD模擬一個(gè)有N個(gè)粒子的恒溫系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)溫度通過粒子的總的動能來確定,即:</p><p><b> ?。?-20)</b></p><p> 一般每個(gè)時(shí)間步長粒
86、子的速度不一樣,溫度也就會上下波動,溫度相對漲落的數(shù)量級一般在l/左右。</p><p> 在模擬體系中采用Berendsen熱浴(heatbath)方法,通過改變速度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度,其具體形式是:</p><p><b> (2-21)</b></p><p> 式中△t是時(shí)間步長,是代表恒溫程度的參數(shù),是系統(tǒng)設(shè)定溫度,是系統(tǒng)的瞬時(shí)溫度
87、。</p><p> 分子動力學(xué)模擬是研究復(fù)雜微觀系統(tǒng)的有效手段。勢函數(shù)的選取和數(shù)值計(jì)算方法的選取對結(jié)果的精度有重要的影響。在實(shí)際的應(yīng)用中要處理好周期性邊界條件和溫度的變化才可能得到正確的結(jié)果。</p><p> 2.4 薄膜生長過程</p><p> 在薄膜的生長過程中,穩(wěn)定島形成以后,薄膜的生長通??梢苑譃橐韵氯N模式[14],如圖(2.3)所示。<
88、;/p><p> 層狀生長(LBL)模式: 這種形成模式是生長以單層開始,沉積在基片表面上的原子均勻覆蓋,形成單原子層,然后第二層、第三層……,逐層依次生長,薄膜厚度逐漸增加,生長薄膜的晶向基本由第一層晶向決定。</p><p> 島狀生長(Volume-Weber)模式:原子首先沉積在襯底表面,逐步形成三維晶核(小島),而后晶核長大、合并,進(jìn)而形成連續(xù)薄膜。</p><
89、;p> 層島生長(S-K) 模式:這種模式一般開始為層狀生長,在一層或若干層之上再進(jìn)行島狀生長, 形成三維晶核,然后晶核再長大、結(jié)合,形成有相當(dāng)厚度的連續(xù)薄膜。</p><p> 圖2.3 薄膜的三種生長模式</p><p> 第三章 濺射工藝對Mg2Si薄膜制備的影響</p><p><b> 3.1 引 言</b><
90、/p><p> 在計(jì)算機(jī)模擬中,分子動力學(xué)模擬薄膜生長己成為材料科學(xué)研究領(lǐng)域里對微觀結(jié)構(gòu)和微觀過程進(jìn)行研究的一個(gè)重要方法。而在實(shí)際制備薄膜時(shí),磁控濺射是工業(yè)上一種大面積使用且成本較低的薄膜制備技術(shù)。在Mg2Si薄膜的制備過程中,濺射工藝的差異將直接影響到Mg2Si薄膜質(zhì)量的好壞。本章主要采用射頻磁控濺射技術(shù),通過改變?yōu)R射參數(shù),在一定的熱處理工藝下,研究了濺射工藝對Mg2Si薄膜制備的影響,并通過XRD和SEM對樣品
91、的晶體結(jié)構(gòu)和顯微形貌進(jìn)行了表征。通過導(dǎo)師的指導(dǎo),在實(shí)驗(yàn)室制備Mg2Si薄膜時(shí),簡單討論了濺射時(shí)間、濺射功率、濺射氣壓對Mg2Si薄膜制備的影響。</p><p> 3.2 濺射時(shí)間對Mg2Si薄膜制備的影響</p><p> 濺射時(shí)間不同將直接影響濺射沉積膜的厚薄,進(jìn)而影響外延薄膜的擇優(yōu)生長取向。濺射時(shí)間不同,沉積膜表面能和晶界能對晶體生長的制約作用導(dǎo)致了晶體位向分布的變化,從而引起
92、不同衍射峰強(qiáng)度的變化。</p><p> 3.2.1 制備參數(shù)</p><p> 在實(shí)驗(yàn)室里選取濺射功率為80 W,氬氣流量為20sccm,濺射氣壓為3.0Pa,濺射時(shí)間分別為20min、25min、30min、35min、40min、45min的條件下濺射沉積鎂膜。表3.1為制備參數(shù)表。</p><p> 表3.1 不同濺射時(shí)間下樣品的編號及其對應(yīng)參數(shù)&l
93、t;/p><p> 3.2.2 XRD衍射圖</p><p> 圖3.1是樣品在不同濺射時(shí)間條件下,經(jīng)過一定的退火處理得到的XRD衍射圖。從衍射峰的變化規(guī)律可以看出,在濺射20min后,已有Mg2Si生成。隨著濺射時(shí)間的增加,衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),最強(qiáng)峰出現(xiàn)在35min濺射條件下。</p><p> 圖3.1 樣品在不同濺射時(shí)間下的XRD衍射圖</p>
94、<p> 3.2.3 SEM衍射圖</p><p> 圖3.2是樣品在不同濺射時(shí)間下的SEM圖??梢钥闯?,樣品濺射時(shí)間較短,表面粗糙,致密度不好;在20min~35min的濺射時(shí)間范圍內(nèi),樣品表面逐漸變得致密,均勻,晶體已經(jīng)覆蓋整個(gè)襯底基體表面;而在35min~45min的濺射時(shí)間范圍內(nèi),樣品表面又開始變得粗糙,并且隨著濺射時(shí)間的增加,表面晶粒逐漸變得細(xì)小。</p><p&
95、gt; 圖3.2 樣品在不同濺射時(shí)間下的SEM圖</p><p><b> 3.2.4 小結(jié)</b></p><p> 本節(jié)主要研究了濺射時(shí)間對Mg2Si薄膜制備的影響。由圖3.1所示的樣品XRD衍射峰及圖3.2所示的樣品SEM圖可以看出,隨著濺射時(shí)間的增加,經(jīng)過相同的退火工藝之后,Mg2Si具有Mg2Si(220)的外延擇優(yōu)生長特性,Mg2Si(220)最強(qiáng)
96、衍射峰出現(xiàn)在35min的濺射條件下,并且在該濺射條件下樣品表面晶粒更加致密均勻。因此濺射時(shí)間35min為制膜的最佳時(shí)間條件。</p><p> 3.3 濺射功率對Mg2Si薄膜制備的影響</p><p> 濺射功率不同,一方面會導(dǎo)致濺射原子產(chǎn)額不同,從而影響薄膜的沉積速率;另一方面,會導(dǎo)致粒子撞擊點(diǎn)位上產(chǎn)生的缺陷數(shù)量不同,成核點(diǎn)位的數(shù)量也不同,進(jìn)而對薄膜生長速率產(chǎn)生相應(yīng)影響。<
97、/p><p> 3.3.1 制備參數(shù)</p><p> 實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定氬氣流量為5sccm,濺射氣壓為3.0Pa,濺射時(shí)間35min,濺射功率分別為60 W、70 W、80 W、90 W、100 W、110 W的條件下進(jìn)行濺射沉積鎂膜。表3.2為制備參數(shù)表。</p><p> 表3.2 不同濺射功率下樣品的編號及其對應(yīng)參數(shù)</p><p>
98、 3.3.2 XRD衍射圖</p><p> 如圖3.3所示的是樣品在不同濺射功率條件下,經(jīng)過一定的退火處理得到的XRD衍射圖。從圖中衍射峰的變化可以看出,從60 W的濺射功率開始,已有Mg2Si生成,隨著濺射功率的增加,衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng);而在100W濺射條件下,衍射峰值最強(qiáng)。</p><p> 圖3.3 樣品在不同濺射功率下的XRD衍射圖</p><p>
99、 3.3.3 SEM衍射圖</p><p> 圖3.4為樣品在不同濺射功率下的SEM圖。在60W~100W的濺射功率范圍內(nèi),隨著濺射功率的增加,樣品表面由粗糙逐漸變得致密,均勻,且晶粒尺寸逐漸增大。在100W時(shí),樣品晶粒尺寸達(dá)到最佳。</p><p> 圖3.4 樣品在不同濺射功率下的SEM圖</p><p><b> 3.3.4 小結(jié)<
100、/b></p><p> 本節(jié)主要研究了濺射功率對Mg2Si薄膜制備的影響。由圖3.3所示的樣品XRD衍射峰及圖3.4所示的樣品SEM圖可以看出,隨著濺射功率的增加,Mg2Si具有Mg2Si(220)的外延擇優(yōu)生長取向,最強(qiáng)衍射峰出現(xiàn)在100W的濺射條件下,同時(shí)樣品SEM圖顯示在該濺射條件下晶粒尺寸最大,且樣品表面更加致密均勻。因此濺射功率100W為制膜的最佳功率條件。</p><p&
101、gt; 3.4 濺射氣壓對Mg2Si薄膜制備的影響</p><p> 濺射氣壓不同將直接影響濺射離子與氣體分子之間的碰撞,從而對薄膜的沉積速率產(chǎn)生影響。一方面,當(dāng)濺射氣壓較低時(shí),濺射離子的平均自由程較大,濺射離子在相同的距離碰撞的次數(shù)較少,到達(dá)襯底的離子能量大,容易被襯底吸收,從而薄膜的沉積速率較大;另一方面,當(dāng)濺射氣壓較高時(shí),濺射離子的平均自由程度較小,濺射離子與氣體分子間的碰撞加劇,因而薄膜的沉積速率較
102、小。</p><p> 3.4.1 制備參數(shù)</p><p> 實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定濺射功率為100 W,氬氣流量為5sccm,濺射時(shí)間為35min,濺射氣壓分別為0.5 Pa、1.0 Pa、1.5 Pa、2.0 Pa、2.5 Pa、3.0Pa、3.5 Pa的條件下進(jìn)行濺射沉積鎂膜。表3.3為制備參數(shù)表。</p><p> 表3.3 不同濺射氣壓下樣品的編號及其對應(yīng)參
103、數(shù)</p><p> 3.4.2 XRD衍射圖</p><p> 如圖3.5所示的是樣品在不同濺射氣壓條件下,經(jīng)過一定退火處理得到的XRD衍射圖。由衍射峰的變化規(guī)律可知,在0.5 Pa~2.0 Pa氣壓范圍內(nèi),濺射氣壓0.5Pa為制備Mg2Si薄膜的最佳氣壓條件;而在2.0Pa~3.5Pa的氣壓范圍內(nèi),濺射氣壓3.0Pa為制備Mg2Si薄膜的最佳氣壓條件。</p>&l
104、t;p> 圖3.5 樣品在不同濺射氣壓下的XRD衍射圖</p><p> 3.4.3 SEM衍射圖</p><p> 圖3.6所示的是樣品在不同濺射氣壓下的SEM圖。由圖可以看出,在0.5 Pa~2.0Pa濺射氣壓范圍內(nèi),樣品表面出現(xiàn)近正六邊形的晶粒,并且隨著濺射氣壓的增加,晶粒尺寸逐漸變小,樣品表面逐漸變得致密,均勻,晶體已經(jīng)覆蓋整個(gè)襯底基體表面;而在2.0Pa~3.5Pa
105、濺射氣壓范圍內(nèi),隨著濺射氣壓的增加,樣品表面晶粒尺寸先變大后變小,在3.0Pa時(shí)晶粒尺寸最明顯,并且樣品表面致密度好。</p><p> 圖3.6 樣品在不同濺射氣壓下的SEM圖</p><p><b> 3.4.4 小結(jié)</b></p><p> 本節(jié)主要研究了濺射氣壓對Mg2Si薄膜制備的影響。由圖3.5所示的樣品XRD衍射峰及圖3
106、.6所示的樣品SEM圖可以看出,隨著濺射氣壓的增加,在0.5Pa~2.0Pa的濺射氣壓范圍內(nèi),在0.5Pa的濺射條件下,晶粒近正六邊形的尺寸最大;在2.0Pa~3.5Pa濺射氣壓范圍內(nèi),3.0Pa的濺射條件下,晶粒尺寸最大,樣品表面致密度好。因此,在0.5Pa~2.0Pa的氣壓范圍內(nèi),0.5Pa的濺射氣壓為制備Mg2Si薄膜的最佳氣壓條件;而在2.0Pa~3.5Pa的氣壓范圍內(nèi),3.0Pa的濺射氣壓為制備Mg2Si薄膜的最佳氣壓條件。&
107、lt;/p><p><b> 3.5 本章小結(jié)</b></p><p> 在導(dǎo)師的認(rèn)真指導(dǎo)下,完成了在一定退火工藝下通過改變?yōu)R射參數(shù)(濺射時(shí)間、濺射功率、濺射氣壓),研究了濺射工藝對制備Mg2Si薄膜的影響,并通過X射線衍射和掃描電鏡對晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行了表征。</p><p> 濺射時(shí)間對Mg2Si薄膜制備的影響。隨著濺射時(shí)間的增加,
108、經(jīng)過相同的熱處理工藝之后,Mg2Si最強(qiáng)衍射峰出現(xiàn)在35min的濺射條件下,在該濺射條件下的樣品表面晶粒更加致密均勻。因此濺射時(shí)間35min為制膜的最佳時(shí)間條件。</p><p> 濺射功率對Mg2Si薄膜制備的影響。隨著濺射功率的增加,經(jīng)過相同的熱處理工藝之后,Mg2Si最強(qiáng)衍射峰出現(xiàn)在100W的濺射條件下,在該濺射條件下晶粒尺寸最大,晶粒更加致密均勻。因此濺射功率100W為制膜的最佳功率條件。</p&
109、gt;<p> 濺射氣壓對Mg2Si薄膜制備的影響。隨著濺射氣壓的增加,在0.5Pa~2.0Pa的濺射氣壓范圍內(nèi),Mg2Si最強(qiáng)衍射峰出現(xiàn)在0.5Pa的濺射條件下,在該濺射條件下晶粒近正六邊形的尺寸最大,因此0.5Pa濺射氣壓為此時(shí)制備Mg2Si的最佳氣壓條件;在2.0Pa~3.5Pa的濺射氣壓范圍內(nèi),Mg2S最強(qiáng)衍射峰出現(xiàn)在3.0Pa的濺射條件下,在該濺射條件下晶粒尺寸最大,樣品表面致密度好,所以此時(shí)濺射氣壓3.0Pa
110、為制備具有Mg2Si的最佳氣壓條件。</p><p><b> 第四章 結(jié) 論</b></p><p> Mg2Si作為一種發(fā)展?jié)摿薮蟮臒犭?、光電子材料,在熱電、光電子器件和能量器件等?yīng)用方面具有良好的性能,并且可以在硅基片上外延生長,能與傳統(tǒng)的硅工藝兼容,因此具有重要的應(yīng)用前景。</p><p> 論文第一章簡單介紹了第一代半導(dǎo)體材
111、料和第二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展和應(yīng)用,以及它們各自存在的問題和由此帶來的資源危機(jī)和環(huán)境危機(jī),并且闡述了發(fā)展第三代環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料的必要性。通過引入計(jì)算機(jī)模擬,解決了實(shí)驗(yàn)理論研究存在的困難。論文第二章主要介紹分子動力學(xué)方法在模擬薄膜生長方面的一些基本原理和基本步驟,給出了幾種常用勢函數(shù)的形式,選取勢函數(shù)時(shí)應(yīng)注意它們的適用范圍。充分考慮體系中粒子的初始位置和初始速度、邊界條件及時(shí)間步長的選取對模擬時(shí)的影響。第三章簡單討論了濺射工藝對Mg2S
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