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C_2在金刚石(111)表面吸附和离子束辅助沉积类金刚石膜的分子动力学模拟

郭德成  
【摘要】: 由于类金刚石(DLC)薄膜具有很多优良的物理学、化学性质和广泛的应用前景,对它们的生长机制和合成方法的研究一直是物理学及材料科学研究领域的重要内容。实验工作者已经成功地用离子束辅助沉积(IBAD)的方法合成无氢类金刚石(DLC)薄膜。然而,由于薄膜合成过程的复杂性,对于这种薄膜的生长机制还没有系统完整的了解。衬底的改变对合成类金刚石薄膜的结构特性有很大影响。对于离子束辅助沉积还涉及离子注入等动力学过程,实验上很难对轰击粒子、沉积分子与表面相互作用的动力学过程进行跟踪观察,许多与原子有关的细节无法获得。因此,在原子水平上研究团簇与表面的相互作用,了解DLC薄膜生长的微观机制,探索实验条件对合成类金刚石薄膜结构的影响,以及改进制备技术和提高薄膜质量有着重要意义。 本文基于分子动力学方法并分别选用Brenner、Tersoff和Ziegler,Biersack和Littmark(ZBL)势描述原子间的相互作用,首先研究了C_2团簇在金刚石(111)表面化学吸附的动力学过程。进而,设计了IBAD的计算机实验模型,模拟了用Ar离子束辅助沉积的方法在硅(111)表面上沉积类金刚石薄膜。本文的具体研究内容如下: (1)本文用MD方法在原子层次模拟研究了(不同入射能量的)C_2分子在金刚石(111)表面的吸附过程,观察到了C_2团簇在金刚石(111)表面形成的吸附结构,表面C原子键的打开以及C_2团簇与表面C原子成键等物理过程,并讨论了不同入射位置和入射能量对沉积团簇的结构特性的影响。结果表明,C_2团簇相对于表面不同的局部构型发生不同的碰撞过程,而C_2团簇入射能量的提高有利于成键过程的发生,从原子尺度模拟了沉积机制。 (2)本文选C_2团簇作为沉积源,Ar离子作为辅助沉积粒子,采用分子动力学方法模拟研究了IBAD生长DLC膜的物理过程。重点讨论了C_2团簇和Ar离子的入射能量及到达比(Ar/C)对平均密度和sp~3键含量的影响,并与Si(001)-(2×1)表面生长类金刚石膜的结果进行比较。结果表明,由于Ar离子的轰击引起的能量和动量的传递,大大地增强了表面沉积C原子的活性及迁移率,增加了合成薄膜的Sp~3键含量,增大了合成薄膜的密度,并发现Si(111)衬底和薄膜的原子混合层增加显著,从而使薄膜在表面的附着力更强。


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