Cu/Ag双层膜沉积与拉伸变形的分子动力学研究

论文摘要

对纳米薄膜生长和拉伸变形的研究,受条件的限制,无法从实验中观察薄膜生长过程,更难以对纳米薄膜进行拉伸实验。利用计算机模拟,在原子尺度上直接追踪薄膜生长与薄膜变形的过程,分析参数对薄膜沉积过程和薄膜塑性变形的影响,可以弥补实验的不足。为了研究沉积参数对双层膜沉积过程的影响和双层膜塑性变形的缺陷特征,本文利用分子动力学,模拟了Ag/Cu(111)、Cu/Ag(111)体系沉积与双向等轴拉伸变形的过程。本文研究了沉积参数对Cu/Ag体系沉积的影响。结果表明:Ag/Cu(111)时趋于层状生长,Cu/Ag(111)沉积趋于岛状生长。提高沉积能量和基体温度有助于改善表面质量,同时界面混合度呈线性增加,薄膜应力从拉应力转变为压应力,在低能沉积(<4 eV)时,基体温度对表面质量有显著影响。降低入射角度和提高沉积速率,有助于改善表面质量,沉积速率过大过小都会增加界面混合,低沉积速率时应力较小,高沉积速率应力较大,且为压应力。本文还研究了应变、应变速率以及温度对Cu/Ag双层膜、Cu膜、Ag膜拉伸变形的影响。结果表明:Cu/Ag双层膜塑性变形时位错优先在界面处形核和发展,高应变时在自由表面和内部也会出现形核点,缺陷类型主要为不全位错、内禀层错,同时伴有外禀层错和层错四面体,层错四面体只发生在界面处并向Cu层延伸。在临界应变时薄膜表面粗糙度最大,层错原子分数随应变的变化分为5个区域。临界应变大小顺序为:Cu/Ag双层膜< Ag膜< Cu膜。高应变速率促进塑性变形发生,且塑性变形后层错原子分数随应变的增加而升高,低应变速率时相反。温度升高促进塑性变形发生,对层错的数目影响不大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及背景
• 1.2 纳米多层膜制备技术
• 1.3 薄膜生长理论的研究现状
• 1.3.1 薄膜生长模式的研究
• 1.3.2 薄膜沉积质量的研究
• 1.4 纳米薄膜变形行为的分子动力学研究现状
• 1.5 本课题研究内容、目的和意义
• 第2章 双层膜沉积分子动力学模拟的关键问题及模型建立
• 2.1 引言
• 2.2 双层膜沉积分子动力学模拟关键问题的处理
• 2.2.1 运动方程
• 2.2.2 原子的势能函数
• 2.2.3 边界条件
• 2.2.4 系统温度控制
• 2.2.5 分子动力学模拟过程的步骤
• 2.3 薄膜沉积的物理模型
• 2.4 薄膜沉积质量的分析方法
• 2.4.1 表面质量
• 2.4.2 界面质量
• 2.4.3 生长模式
• 2.5 本章小结
• 第3章 Cu/Ag双层膜沉积分子动力学模拟与实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 Cu/Ag双层膜沉积模拟方案
• 3.3 薄膜生长过程分析
• 3.3.1 沉积薄膜结构
• 3.3.2 薄膜层的覆盖率
• 3.4 表面原子的平均动能
• 3.5 薄膜表面质量分析
• 3.5.1 沉积能量对表面质量的影响
• 3.5.2 基体温度对表面质量的影响
• 3.5.3 入射角度对表面质量的影响
• 3.5.4 多参数表面质量分析
• 3.6 薄膜界面混合情形分析
• 3.7 薄膜应力分析
• 3.8 Cu/Ag（111）三角形位构型的演变
• 3.9 Cu/Ag双层膜的制备与表征
• 3.9.1 Cu/Ag双层膜的制备
• 3.9.2 Cu/Ag双层膜表面晶粒度分析
• 3.9.3 Cu/Ag双层膜afm微区表面形貌分析
• 3.10 本章小结
• 第4章 Cu/Ag双层膜拉伸变形的分子动力学模拟
• 4.1 引言
• 4.2 模型的建立与分析参数的选取
• 4.2.1 模型与模拟方案
• 4.2.3 中心对称参数
• 4.3 Cu/Ag双层膜变形弛豫的演变过程
• 4.3.1 层错形核、发展过程
• 4.3.2 表面形态
• 4.3.3 微观结构
• 4.3.4 原子分数统计
• 4.4 应变速率对Cu/Ag双层膜变形的影响
• 4.5 温度对Cu/Ag双层膜变形的影响
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢