薄膜生长的Monte Carlo二维模拟

薄膜生长的Monte Carlo二维模拟

论文摘要

薄膜技术在现代科技领域中有着广泛的应用,薄膜科学研究成果转化为生产力的速度愈来愈快。人们对薄膜的生长过程通过理论和实验进行了深入的研究,其中计算机模拟是重要的方法。在外延生长中,可以认为生长单元是以平均频率随机地沉积到基底表面上(substrate),生长单元在基底上的扩散也具有随机特征。因此,可以很自然地将生长单元的沉积,扩散和脱附都作为统计过程来进行描述,而蒙特卡罗方法(Monte Carlo)方法本质上就是一种统计方法。因此,MC很自然地被用于研究这一过程。 本文首先较全面地从理论上分析了薄膜生长过程中原子在表面上的各种动力学表现,涉及的内容包括亚单层生长时,原子在表面上的扩散,粘接,成核。作为研究的基础,我们还介绍了目前这方面理论研究中所主要使用的各种方法,主要有第一性原理计算,分子动力学模拟,蒙特卡罗模拟,速率方程等。我们着重的对蒙特卡罗方法进行了介绍,包括基本思想,特点,应用等等。最后介绍了我们独立研究开发的DLA,多中心生长和引入了Morse势的二维生长模拟的Matlab源代码及其模拟结果。 DLA模拟结果为形成一个分形状的岛,这个模型给出的岛的平均分支宽度为1个原子宽度。多中心生长的模拟分为分形和团状生长两种情况,软件同时得到了它们的团簇数和平均大小等参量。我们重点介绍了在前人基础上发展的一套比较完整的二维MC模型。模型中引入Morse势描述粒子间的相互作用,考虑粒子的沉积、吸附粒子的扩散和蒸发三个过程。研究了粒子间相互作用范围α和允许粒子行走的最大步数对薄膜生长形貌的影响。结果表明:在不同的α值下,随粒子行走步数的增加,薄膜的生长都经历了从分散、分形、混合到团聚的过程;在同一最大步数下,α值越大,薄膜越易趋向于分散生长。

论文目录

  • 第一章 绪论
  • §1.1 选题背景
  • §1.2 发展与现状
  • §3.3 课题意义及主要工作
  • 第二章 薄膜生长理论及其主要模式
  • §2.1 亚单层形核规律
  • 2.1.1 原子扩散过程
  • 2.1.2 临界岛尺寸
  • 2.1.3 岛的大小分布
  • §2.2 岛的迁移和表面粗化
  • 2.2.1 原子团的扩散
  • 2.2.2 表面粗化机制
  • §2.3 多层膜的外延生长
  • 2.3.1 三维生长对应的几种模式
  • 2.3.2 Ehrilich-Schwoebel(ES)势
  • 第三章 基本理论方法——MonteCarlo方法
  • §3.1 蒙特卡洛方法的概述
  • 3.1.1 蒙特卡罗方法的基本思想
  • 3.1.2 蒙特卡罗方法解题的一般手续
  • 3.1.3 蒙特卡罗方法的收敛性和误差估计
  • 3.1.4 蒙特卡罗方法的特点
  • §3.2 伪随机数
  • 3.2.1 随机数概述
  • 3.2.2 伪随机数
  • 3.2.3 产生伪随机数的方法例举
  • §3.3 由已知分布的随机抽样
  • 3.3.1 连续随机变量抽样
  • 3.3.2 离散型随机变量抽样
  • 3.3.3 多维随机变量的抽样
  • §3.4 蒙特卡罗方法与薄膜生长模拟的结合
  • 第四章 薄膜生长模拟过程
  • §4.1 DLA模型的模拟
  • §4.2 多中心生长过程的计算机模拟
  • §4.3 改进型二维薄膜生长模型模拟
  • 4.3.1 模型介绍
  • 4.3.2 模拟结果和讨论
  • §4.4 改进型模型模拟的程序流程
  • §4.5 改进型模型模拟的程序简介
  • 第五章 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间所取得的相关科研成果
  • 相关论文文献

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