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薄膜生长初期的蒙特卡罗模拟研究

作　者: 荣海波
导　师: 朱祎国
学　校: 大连理工大学
专　业: 固体力学
关键词: 薄膜生长 形核理论 蒙特卡罗方法 表面形貌
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


近年来,纳米薄膜材料以其特有的物质形态和性能广泛的应用到了现代科技当中,因此对于薄膜材料的研究越来越引起人们的关注。通常情况下,薄膜材料是通过生长而获得的,生长过程中所涉及到的复杂原子过程以及这些过程之间的相互作用关系对于薄膜的微观结构和性能有着非常重要的影响,因此从原子尺度来研究这些动力学过程有着重要的理论和应用意义。计算机模拟技术的不断发展,更是加强了薄膜生长的理论研究和实验分析间的相互指导作用。本文在对薄膜生长中的微观原子过程和研究方法有了一定认识的基础上,参考现有模型,应用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法构造了薄膜的二维生长、三维生长及二元合金薄膜生长模型。模型中,采用周期性边界条件来处理生长表面边界问题,考虑了原子的三个主要动力学过程：沉积、扩散和脱附,并认为这三个过程是相互独立的,即在同一个计算步长中,三个过程依据各自的概率发生,同时扩散及脱附过程又依赖于沉积过程。通过理论分析和模拟计算,得到了基底温度、沉积速率和能量等生长条件对薄膜生长初期过程的影响。计算结果表明：随着基底温度的升高,表面原子的扩散能力有所增强,表现为二维生长过程中由分形生长向紧致生长的转化,以及三维生长过程中由岛状生长模式向层状生长模式的转化,且在较高的基底温度下,岛的形貌与基底网格结构相似；沉积速率对薄膜初期生长过程的影响与基底温度相反,即减小了沉积速率相当于增加了基底的温度；在二维生长过程中,吸附原子受到其最近邻原子的作用较大,降低其最近邻处原子的势能参数,薄膜逐渐由分形生长转化为紧致生长；而在三维生长过程中,原子层间扩散所涉及到的Ehrlich-Schwoebel(ES)势垒制约着薄膜的三维生长模式,即随着ES势垒的增加,原子的层间扩散越来越困难,导致薄膜的生长模式由层状生长向岛状生长转化。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-16
  1.1 课题研究背景和意义  8-9
  1.2 薄膜生长的研究进展  9-15
    1.2.1 计算模型的发展  9-11
    1.2.2 研究现状  11-15
  1.3 本文主要工作  15-16
2 薄膜材料的形成过程和理论模式  16-27
  2.1 薄膜的制备方法  16-17
  2.2 薄膜生长的表面原子过程  17-22
    2.2.1 沉积过程  17-19
    2.2.2 脱附过程  19-20
    2.2.3 扩散过程  20-22
  2.3 薄膜生长的理论模式  22-26
    2.3.1 岛状生长模式  24-25
    2.3.2 层状生长模式  25
    2.3.3 层岛状生长模式  25
    2.3.4 生长模式之间的相互转化  25-26
  2.4 二元及多元薄膜生长过程与模式  26
  2.5 本章小结  26-27
3 薄膜生长的Monte Carlo模拟方法  27-33
  3.1 Monte Carlo方法基本理论  27-29
    3.1.1 Monte Carlo方法简介  27-28
    3.1.2 Monte Carlo方法的基本步骤和特点  28-29
  3.2 随机性问题的Monte Carlo方法  29-31
    3.2.1 随机行走模拟  30
    3.2.2 格子类型  30-31
  3.3 薄膜生长问题的Monte Carlo算法  31-32
  3.4 本章小结  32-33
4 薄膜二维生长模型  33-45
  4.1 模型简介  33
  4.2 模型的建立  33-38
    4.2.1 基底结构及处理方法  33-35
    4.2.2 计算模型  35-38
  4.3 模拟结果分析  38-44
    4.3.1 基底温度的影响  39-40
    4.3.2 能量参数的影响  40-44
  4.4 本章小结  44-45
5 薄膜三维生长模型  45-55
  5.1 模型的建立  45-49
    5.1.1 基底结构及处理方法  45-46
    5.1.2 计算模型  46-49
  5.2 模拟结果分析  49-54
    5.2.1 ES势的影响  50-51
    5.2.2 基底温度的影响  51-52
    5.2.3 沉积速率的影响  52-54
  5.3 本章小结  54-55
6 二元合金薄膜二维生长模型  55-67
  6.1 NiTi合金薄膜简介  55-56
  6.2 模型的建立  56-60
    6.2.1 基底结构及处理方法  56-57
    6.2.2 计算模型  57-60
  6.3 模拟结果分析  60-65
    6.3.1 基底温度的影响  61-63
    6.3.2 沉积速率的影响  63-65
  6.4 本章小结  65-67
结论  67-69
参考文献  69-75
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  75-76
致谢  76-78

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的生长、结构和外延
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