薄膜生長初期的分子動力學模擬研究.pdf

1、近年來，隨著觀測技術(shù)水平的提高，對薄膜生長過程進行直接觀察成為可能，如借助STM和AFM等手段可觀察到薄膜的島狀結(jié)構(gòu)、表面重構(gòu)和吸附原子擴散等現(xiàn)象，甚至直接觀察到單個Ge原子在Si(100)表面的擴散過程。然而，對于在薄膜生長初期中單粒子、團簇（包括二聚物、多聚物）、空位和臺階缺陷等在基體表面的沉積、擴散與結(jié)合等過程，在實驗觀察和檢測方面仍然受到一些條件的限制，而這正是薄膜生長的關(guān)鍵所在。因此，研究沉積粒子與基體表面的相互作用，在原子尺

2、度上揭示薄膜生長初期發(fā)生的微觀過程和結(jié)構(gòu)演化，了解掌握這些微觀結(jié)構(gòu)（表面形貌、顯微結(jié)構(gòu)、晶體學性能、組分含量及其分布等）的演變規(guī)律，進而改進工藝流程和制備條件，節(jié)約薄膜制備的研發(fā)成本，這對提高薄膜的質(zhì)量和推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。
　　本文以Cu/Cu(001)外延生長薄膜為研究對象，基于嵌入原子勢函數(shù)并采用分子動力學方法研究沉積原子擴散輸運、亞單層膜的生長演化和退火處理對薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)演變和應力變化的影響。
　　

3、單原子沉積擴散研究的結(jié)果表明，沉積原子在基片表面的擴散輸運行為與局域碰撞位置和入射能密切相關(guān)。入射能為1–30 eV的沉積原子在基片表面的輸運行為有三種：直接吸附、短時滲透和滲透（或稱植入）。短時滲透中，沉積原子先滲透到間隙位置然后迅速遷移到表面上的穩(wěn)定位置。當入射能高于滲透閾值時，某些能量范圍內(nèi)出現(xiàn)對應的位置峰，即又發(fā)生了短時滲透。這種復雜的輸運現(xiàn)象可能是由于沉積原子和基片原子之間復雜的動力學競爭關(guān)系所引起的。
　　退火對亞單層

4、薄膜影響的研究結(jié)果表明，在入射能為1–5 eV和基片溫度為300–500 K時，亞單層薄膜在基片表面傾向于層狀的二維生長。入射能增大或(和)基片溫度升高時，基片表面出現(xiàn)原子混合現(xiàn)象，但600 K的退火處理沒有使吸附原子滲透更深。未退火時，薄膜表面粗糙度隨著入射能增加而降低，但在某些最佳溫度時達到最小。退火后，表面粗糙度明顯降低。此外，退火處理能顯著降低薄膜表層
　　原子的最大法向應力。
　　多層膜的分子動力學研究中，薄膜生長

5、條件和退火溫度與亞單層膜的情況相同。沉積生長過程中，多層膜傾向?qū)訊u狀生長。退火前后薄膜的形貌和表面粗糙度變化趨勢與亞單層膜的情況類似，退火處理使薄膜表面更加光滑和有序。層覆蓋率和徑向分布函數(shù)結(jié)果顯示，入射能和基片溫度對薄膜有一定的影響；而退火后，RDF的各個峰值都有增大，表明退火處理增強了薄膜的晶化。另外，退火處理能顯著降低薄膜表層原子的最大法向受力和應力。因此，要獲得結(jié)構(gòu)致密的高質(zhì)量薄膜，需要在適當?shù)某练e生長條件下并通過退火處理來制備