薄膜晶体缺陷形成与控制的分子动力学模拟研究

论文题目: 薄膜晶体缺陷形成与控制的分子动力学模拟研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料物理与化学

作者: 周耐根

导师: 周浪

关键词: 薄膜,失配位错,孪晶,织构,分子动力学

文献来源: 南昌大学

发表年度: 2005

论文摘要: 薄膜晶体缺陷主要形成于原子沉积生长过程之中，而现有实验分析手段的空间和时间分辨能力都无法胜任对原子尺度微观过程的研究。我们以面心立方金属为对象、采用三维分子动力学方法对几种薄膜缺陷形成的原子机理与控制方法进行了原子模拟研究。原子间相互作用力采用EAM多体势函数计算。研究内容包括：外延薄膜沉积生长的分子动力学模型、模拟方法与相应程序的建立及对原子沉积过程的基本研究；<111>外延生长薄膜中失配位错、孪晶与一种应力致生长织构的结构、形成机制及可能的控制方法；在纳米晶柱阵列衬底上外延生长高质量、易剥离薄膜晶体的可能性。研究发现： (1) 保持表面原子级平整可使薄膜在超过临界厚度数十倍的情况下仍不形成失配位错。但这种结构对微扰十分敏感，表面仅单原子层厚的微小凹凸或高温下的热扰动都能使失配位错迅速形成。 (2) 负失配条件下，失配位错成核于一种发生在薄膜表层的类似于“局部熔融—重结晶”的过程，它起自薄膜内部压应力与表面台阶共同作用下被挤出的一个倒四面体构型的原子团。其结构为伯格斯矢量与失配方向一致的、滑移面与生长面平行的全刃位错，个别情况下也会呈现为由两个部分位错夹着一片层错组成的Shockley扩展位错。 (3) 正失配条件下，失配位错的结构与成核机制出现两类情况。当失配度f_x≥0.05时，位错结构与成核机制与负失配条件下类似，不同之处是局部熔融源自与表面相交的滑移台阶；当f_x≤0.04时，失配位错直接形成于由表面向内部推进的局部滑移。其伯格斯矢量与失配方向成60°夹角。该位错形成后迅速从薄膜表层沿其滑移系向薄膜与衬底间界面滑移。 (4) 在适当几何条件下，采用纳米晶柱阵列衬底可以在不形成失配位错的情况下释放外延薄膜中的失配应变，有效地抑制失配位错的形成，获得高质量、易剥离外延薄膜。 (5) 在<111>生长中，表面沉积原子在入射碰撞和热运动迁移过程中随机占

论文目录:

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第一章绪论

1.1 薄膜晶体生长

1.2 薄膜中的晶体缺陷结构

1.2.1 点缺陷

1.2.2 线缺陷

1.2.3 面缺陷

1.3 多晶薄膜的组织与织构

1.3.1 薄膜介观组织

1.3.2 薄膜的织构

1.4 薄膜缺陷结构形成与控制的实验研究

1.5 薄膜生长的计算模拟及其在薄膜晶体缺陷研究中的应用

1.5.1 薄膜生长的计算模拟方法

1.5.2 薄膜晶体缺陷的计算模拟研究

1.6 本文研究内容

第二章薄膜沉积生长的分子动力学模型与模拟方法

2.1 引言

2.2 分子动力学模拟基本原理、算法及其在本研究中的运用

2.2.1 基本原理

2.2.2 运动方程及其数值解法

2.2.3 原子间相互作用势函数

2.2.4 温度和压强控制方法

2.3 薄膜沉积生长的分子动力学模型

2.4 单原子入射沉积与表面迁移过程

2.4.1 单个原子在入射沉积过程中的动能与轨迹

2.4.2 增原子的表面迁移动力学

2.5 薄膜温度与温度梯度

2.6 沉积原子入射角对薄膜结构的影响

2.7 结语

第三章外延生长薄膜失配位错的形成与控制研究

3.1 引言

3.2 模型与方法

3.3 失配位错的形成条件

3.3.1 失配位错形成条件的热力学分析

3.3.2 动力学条件——表面结构微扰

3.3.3 动力学条件——薄膜温度

3.4 负失配条件下失配位错的结构与成核过程

3.5 正失配条件下失配位错的结构与成核过程

3.5.1 失配度f_x≥0.05

3.5.2 失配度f_x≤0.04

3.6 关于失配性质影响的分析和讨论

3.7 在纳米晶柱阵列衬底上生长高质量、易剥离外延膜的可能性

3.7.1 纳米晶柱阵列衬底设计的提出

3.7.2 纳米晶柱的热稳定性

3.7.3 纳米晶柱阵列衬底上薄膜外延生长模型

3.7.4 纳米晶柱阵列衬底上的薄膜外延生长

3.8 结论

第四章铜膜孪晶形成机理与出现几率研究

4.1 引言

4.2 模拟方法

4.2.1 孪晶界面能模拟计算方法

4.2.2 结构分析

4.3 <111>生长铜膜中孪晶界面的形成机制

4.4 孪晶出现的能量解释

4.5 <111>生长铜膜中孪晶界面的出现几率

4.6 结语

第五章等轴双向应变导致的薄膜生长织构

5.1 引言

5.2 模型与方法

5.2.1 双晶模型

5.2.2 原子晶粒归属的确定方法

5.3 等轴双向应变下铜、铝薄膜的织构形成微观机制

5.4 等轴双向应变下薄膜的织构形成的驱动力

5.5 结语

总结

1 本文的研究结论

2 本文的创新之处

参考文献

攻读博士期间所发表的论文

致谢

发布时间: 2006-09-13

参考文献

[1].复杂多相体系中小分子跨界面行为的分子动力学模拟研究[D]. 李敬.北京化工大学2018
[2].微纳层叠功能复合材料的界面效应分子动力学模拟及加工装备研究[D]. 石美浓.北京化工大学2017
[3].水分子与离子晶体填充碳纳米管的动力学模拟及其电子学、光学特性研究[D]. 黄博达.山东大学2005
[4].Cu/Ni纳米多层膜微观强化机理及微摩擦学特性的分子动力学模拟[D]. 程东.大连海事大学2005
[5].碳纳米管/聚乙烯复合材料结构与性质的分子动力学模拟研究[D]. 刘佳.吉林大学2009
[6].一类非平衡分子动力学模拟中优化方法的研究[D]. 杨坤.大连理工大学2009
[7].界面微观特性的分子动力学模拟研究[D]. 蔡治勇.重庆大学2008
[8].受限环境对几类软物质材料性质影响的分子动力学模拟研究[D]. 薛向贵.吉林大学2012
[9].贵金属表面低能沉积的分子动力学模拟[D]. 颜超.大连理工大学2008
[10].硅橡胶类渗透蒸发膜及其扩散特性的分子动力学模拟[D]. 方志平.天津大学2009

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