FCC金属原子间相互作用势及“Z”形铜纳米带分子动力学研究

论文摘要

目前集成电路中铜互连线的尺寸已经达到纳米量级。在这样微小尺度下,材料的结构更容易受温度和机械应力的影响发生形变。本文利用分子动力学方法研究铜互连线的微缩模型——“Z”形铜纳米带,在机械拉伸作用下的结构变化。分子动力学方法的关键因素为原子间相互作用势的准确性。而互连线的主导材料为面心立方（Face-Centered-Cubic,FCC）金属,本文从经典的对势模型Lennard-Jones势和Morse势出发,对在FCC金属中得到广泛应用的嵌入原子（Embedded Atom Method,EAM）势进行综述,发现如Johnson分析型EAM势具有形式简便,计算效率高的优点,Mishin等的EAM势拟合了众多实验数据和从头算计算结果,对FCC金属的描述非常精确。本课题另一研究工作为对“Z”形铜纳米带在机械拉伸中结构的变化进行了分子动力学研究。通过对纳米带的模拟机械拉伸发现,10.0K时,持续的机械拉伸使得应力在“Z”形铜纳米带的拐角处大量累积,累积的应力促使位错原子成核,然后位错在{111}面进行扩散,直至整个原子层面发生滑移堆错。在“Z”形的一个拐角处,{111}面的滑移堆错使得原来< 100>晶面取向转变为< 111>和< 110>取向。而另一个拐角处则全部转变为< 111>晶向,但是转变区域被“锁定”在三角形范围内,这种现象由罗曼-柯垂尔位错（Lomer-Cottrell lock,L-C lock）导致。当系统的温度从100.0K到600.0K范围内变化时,发现L-C lock在“Z”形铜纳米带的两个拐角处对称出现。随着拉伸的进行,累积的应力使得“Z”形两拐角处出现双L-C lock形貌,最后,双L-C lock并合成一个大角度的L-C lock,这种现象在100.0K到500.0K温度范围内带有普遍性。同时,温度越高,纳米带中位错出现越早。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 纳米材料和纳米技术
• 1.2 分子动力学在纳米材料中的应用
• 1.3 本文研究的内容和意义
• 2 分子动力学的主要技术
• 2.1 有限差分算法
• 2.2 原子间相互作用势
• 2.3 时间步长的选取
• 2.4 初值问题和边界条件
• 2.5 系综原理
• 3 FCC 金属模拟计算中的原子间相互作用势
• 3.1 材料模拟和FCC 金属的应用
• 3.2 原子间相互作用势基础
• 3.3 对势模型
• 3.4 EAM 势模型
• 3.5 小结
• 4 “Z”形铜纳米带结构变化的分子动力学研究
• 4.1 位错理论
• 4.2 金属晶体中的位错
• 4.3 FCC 纳米结构研究现状
• 4.4 “Z”形铜纳米带模型和研究方法
• 4.5 “Z”形铜纳米带的晶面取向变化
• 4.6 温度效应对晶面取向变化的影响
• 4.7 结论
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录