贵金属表面低能沉积的分子动力学模拟

论文摘要

低能沉积薄膜生长的微观机制直接影响着薄膜的生长模式、表面形貌和微观结构,进而决定着薄膜材料的力学、电学和磁学等物理性能,从原子尺度上去研究薄膜生长过程和微观机制,对于解释薄膜生长的物理本质、控制生长条件、提高薄膜制备的质量具有重要意义。其中薄膜的生长过程也就是低能原子沉积的过程,而沉积的动力学过程对薄膜生长机制具有重要的影响,在薄膜生长原子水平上物理机制的研究中具有十分重要的地位。本文针对薄膜生长中的低能沉积的动力学过程,采用分子动力学方法以六种贵金属（Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au）原子为对象,系统的研究了低能沉积过程中的溅射行为和基体表面形貌的变化以及沉积外延岛的生长演化等表面过程。在低能沉积过程中,溅射行为主要取决于入射原子质量（M1）和靶原子质量（M2）,并存在两种机制:入射原子反射机制（M1＜M2）和反冲原子溅射机制（M1＞M2）;两种溅射机制具有不同的溅射阈值,对于相同基体表面,M1＜M2时的溅射阈值比M1＞M2时的小,相同溅射机制之间的溅射阈值却相差不大。当入射能量小于溅射阈值时,没有溅射现象发生,入射原子的主要作用是沉积;当入射能量大于溅射阈值时,溅射产额随入射能量的增加呈线性增加趋势。不同的溅射机制下,入射原子和基体的参数对溅射产额的影响有一定差异,因此,两种溅射机制对应两个基于约化能量的溅射产额公式,并且二者在M1=M2是自恰的;通过与模拟结果和实验结果的比较发现,该公式比Sigmund解析公式和基于Sigmund解析理论的修正公式能更好地描述低能溅射行为。不同的溅射机制导致溅射原子的空间分布有一定的差异,在反射机制主导溅射行为时,M1＞M2,原子碰撞过程中容易产生大的散射角,因此导致溅射原子的发射角较大,从而使得在平行基体表面的上方记录的溅射原子分布范围的半径较大;在反冲原子机制作用下,M1＞M2,原子在相互碰撞的过程中较难发生大角度的散射,因此导致溅射原子的发射角比反射机制作用下的小,其分布范围的半径也更小一些。在能量低于200 eV时,所有被溅射原子的能量主要分布在20 eV以内,溅射原子的最大概率对应的能量值都小于10 eV。根据低能溅射的反射机制,当M1≤M2时,随着质量比M1/M2的减小和Eb的增加,晶格在弹性形变过程中被破坏的可能性变小,表面原子在被溅射出去时可能获得较大的能量,此时,能量分布均向高能区域发散;M1≥M2时,主导低能溅射的反冲原子很难产生能量较大的溅射原子,此时被溅射原子的能量更多地集中分布在低能区域。低能沉积对表面形貌的影响随入射能量的变化而有所不同。其中表面吸附原子产额随入射原子能量的增加而增大。随着入射能量从溅射阈值附近增大到200 eV,入射原子在表层的作用和对表面的影响有一个转变能量（ET）,对于不同的贵金属基体表面,这个分界能量并不完全相同。当入射原子质量小于基体原子质量时,在所研究的能量范围内,基体表面原子均是按层迁移的,此时ET≈2Eth。在入射能量小于转变能量时,入射原子的注入深度小于两个原子层,即为亚注入;当入射能量高于转变能量时,入射原子的注入深度开始大于两个原子层。亚注入时,表面以下第三层不会有空位产生,此时入射原子的主要作用是产生表面吸附原子,对基体材料不会产生破坏,因此有利于薄膜的成核和致密化;而当入射原子的注入深度超过表面第二层的时,将会使表面以下第三层产生空位,并且空位产额随入射能量的升高而急剧增加,因此会破坏基体材料,导致薄膜缺陷的产生。表面吸附原子的分布花样呈3度旋转对称性质;当M1/M2＞1时,表面吸附原子的分布范围明显比M1/M2＜1时小。在异质外延生长研究方面,针对传统的晶格失配理论不能完全解释现有实验结果的这一问题,我们分别对比研究了Au/Cu（001）、Cu/Au（001）和Ag/Cu（111）、Au/Cu（111）两组体系的异质外延岛演化过程。结果发现:Au/Cu（001）和Cu/Au（001）体系的异质外延生长是非对称性的,导致非对称外延生长的根本原因是外延岛的应变状态的差异和外延岛自身性质的不同。通过对比Au/Cu（111）体系的异质外延生长,我们发现,外延岛原子与基体表面原子之间的界面结合强度是形成Ag/Cu（111）体系中Moiré结构的重要因素,异质外延体系的界面结合强度取决于二者的合金熔解热;由于Ag-Cu具有正的合金熔解热,使得Ag/Cu（111）异质外延体系界面结合强度较弱,有利于Moiré结构的形成。外延岛的面内弛豫行为与外延层和基体之间的相对刚度有关,弹性模量较大的外延层具有较强的延展能力,对Moiré结构的形成有利;外延岛边界原子的定扎作用对外延岛内原子弛豫行为有一定的约束作用,进而限制了较小尺寸外延岛内Moiré结构的形成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 薄膜研究的发展概况
• 1.2 载能沉积行为研究的科学意义和研究概况
• 1.3 本论文工作的研究背景和研究重点
• 2 分子动力学模拟的研究方法
• 2.1 计算机模拟的意义及发展概况
• 2.2 分子动力学原理
• 2.2.1 分子动力学基本方程
• 2.2.2 分子动力学算法
• 2.3 原子间相互作用势
• 2.3.1 原子间相互作用势简介
• 2.3.2 EAM原子间相互作用势
• 3 贵金属低能沉积过程中表面溅射行为的研究
• 3.1 物理模型与近似方法
• 3.1.1 模型近似方法
• 3.1.2 物理模型
• 3.2 低能沉积的溅射原子产额
• 3.2.1 低能溅射产额的经验公式
• 3.2.2 低能溅射产额的模拟结果
• 3.2.3 M1/M2<1时的溅射产额研究
• 1时的溅射产额研究'>3.2.4 M1/M2>1时的溅射产额研究
• 3.2.5 M1=M2时的溅射产额研究
• 3.3 低能溅射的机制
• 3.3.1 M1
• 3.3.2 M1≥M2时的低能溅射机制
• 3.4 溅射原子的空间分布规律研究
• 3.4.1 被溅射原子的分布花样
• 3.4.2 被溅射原子的角度分布
• 3.4.3 被溅射原子的能量分布
• 3.5 本章小结
• 4 贵金属低能沉积对表面形貌影响的研究
• 4.1 低能沉积过程对Au（111）和Pt（111）表面影响的研究
• 4.1.1 表面吸附原子产额
• 4.1.2 表面空位产额
• 4.2 低能沉积过程对Ag（111）和Pd（111）表面影响的研究
• 4.2.1 表面吸附原子产额
• 4.2.2 表面空位产额
• 4.3 低能沉积过程对Ni（111）和Cu（111）表面影响的研究
• 4.3.1 表面吸附原子产额
• 4.3.2 表面空位产额
• 4.4 吸附原子花样
• 4.4.1 M1
• 4.4.2 M1≥M2时的吸附原子分布
• 4.5 本章小结
• 5 贵金属异质外延成核的应变与结构演化
• 5.1 相关物理参数的计算方法
• 5.1.1 原子的局域压力
• 5.1.2 外延岛与基体的膜基结合能
• 5.1.3 基体的形变能
• 5.2 Cu/Au（001）和Au/Cu（001）体系异质外延行为的研究
• 5.2.1 物理模型和模拟方法
• 5.2.2 外延岛形貌和应变分布的非对称演化行为
• 5.2.3 微观失配对外延岛与基体的结合能及基体形变能的影响
• 5.3 Ag/Cu（111）和Au/Cu（111）体系异质外延岛的结构及其演化
• 5.3.1 物理模型和模拟方法
• 5.3.2 Ag/Cu（111）和Au/Cu（111）体系的异质外延结构
• 5.3.3 Ag/Cu（111）和Au/Cu（111）体系的外延岛演化
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 作者简介