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薄膜生长初期的分子动力学模拟研究

荆兴斌  
【摘要】:近年来,随着观测技术水平的提高,对薄膜生长过程进行直接观察成为可能,如借助STM和AFM等手段可观察到薄膜的岛状结构、表面重构和吸附原子扩散等现象,甚至直接观察到单个Ge原子在Si(100)表面的扩散过程。然而,对于在薄膜生长初期中单粒子、团簇(包括二聚物、多聚物)、空位和台阶缺陷等在基体表面的沉积、扩散与结合等过程,在实验观察和检测方面仍然受到一些条件的限制,而这正是薄膜生长的关键所在。因此,研究沉积粒子与基体表面的相互作用,在原子尺度上揭示薄膜生长初期发生的微观过程和结构演化,了解掌握这些微观结构(表面形貌、显微结构、晶体学性能、组分含量及其分布等)的演变规律,进而改进工艺流程和制备条件,节约薄膜制备的研发成本,这对提高薄膜的质量和推动相关产业的发展有着重要的意义。 本文以Cu/Cu(001)外延生长薄膜为研究对象,基于嵌入原子势函数并采用分子动力学方法研究沉积原子扩散输运、亚单层膜的生长演化和退火处理对薄膜的形貌、结构演变和应力变化的影响。 单原子沉积扩散研究的结果表明,沉积原子在基片表面的扩散输运行为与局域碰撞位置和入射能密切相关。入射能为1-30 eV的沉积原子在基片表面的输运行为有三种:直接吸附、短时渗透和渗透(或称植入)。短时渗透中,沉积原子先渗透到间隙位置然后迅速迁移到表面上的稳定位置。当入射能高于渗透阈值时,某些能量范围内出现对应的位置峰,即又发生了短时渗透。这种复杂的输运现象可能是由于沉积原子和基片原子之间复杂的动力学竞争关系所引起的。 退火对亚单层薄膜影响的研究结果表明,在入射能为1-5 eV和基片温度为300-500 K时,亚单层薄膜在基片表面倾向于层状的二维生长。入射能增大或(和)基片温度升高时,基片表面出现原子混合现象,但600 K的退火处理没有使吸附原子渗透更深。未退火时,薄膜表面粗糙度随着入射能增加而降低,但在某些最佳温度时达到最小。退火后,表面粗糙度明显降低。此外,退火处理能显著降低薄膜表层原子的最大法向应力。 多层膜的分子动力学研究中,薄膜生长条件和退火温度与亚单层膜的情况相同。沉积生长过程中,多层膜倾向层岛状生长。退火前后薄膜的形貌和表而粗糙度变化趋势与亚单层膜的情况类似,退火处理使薄膜表面更加光滑和有序。层覆盖率和径向分布函数结果显示,入射能和基片温度对薄膜有一定的影响;而退火后,RDF的各个峰值都有增大,表明退火处理增强了薄膜的晶化。另外,退火处理能显著降低薄膜表层原子的最大法向受力和应力。因此,要获得结构致密的高质量薄膜,需要在适当的沉积生长条件下并通过退火处理来制备。


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