低能硅富勒烯团簇在硅表面沉积的分子动力学研究

摘要

在过去10多年中对半导体团簇，尤其是C和Si的团簇的研究，是非常热门的课题。Si和C处于同一族，Si60团簇是否具有与C60类似的结构，针对这一问题，近年来对Si60团簇的结构及其基态的电子特征的研究成为材料科学研究的热点。特别是低能团簇束沉积(LEBCD)组装纳米薄膜已成为材料科学研究的热点之一。低能团簇在表面的沉积是一个相当复杂的过程，它不仅要受到衬底和沉积团簇特性的影响，而且还与表面和界面的原子间相互作用及系统热力学和碰撞动力学之间的竞争密切相关。因此在原子水平上研究富勒烯与表面的相互作用，了解薄膜生长的微观机制，探索实验条件对纳米薄膜结构的影响，对改进生成薄膜的质量和制备技术有着重要的意义。
　　首先基于分子动力学方法并选用Extended Brenner(XB)势函数描述硅原子间相互作用，介绍了分子动力学模拟的基本概念和基本理论，重点研究了原子间势函数的选取、求解运动方程的算法、以及所使用的边界条件和初始条件等。在此基础上，建立了Si60分子在单晶硅表面沉积实验的仿真模型，编制了相关的模拟仿真程序。
　　其次从入射能量、入射角度和碰撞点的位置等影响因素入手，研究了单个Si60分子在Si(100)和Si(111)表面沉积模拟，我们的研究表明，对于Si(111)和Si(100)晶面分别存在一个合适的能量区间10eV～50eV和10eV～150eV，在此能量范围内，Si60分子既有较高的几率在单晶硅衬底稳定沉积，又可以保持良好的富勒烯团簇结构特性。入射能量小于此区间时，形成的化学键数量很少，不利于稳定沉积；入射能量大于此区间，Si60分子的团簇结构特性会被破坏。
　　最后分析了斜向入射时，角度对沉积的影响，表明斜向入射角要控制在45°之内才可以保证稳定的沉积。对比了Si60分子以相同能量在单晶硅垄和槽两种位置沉积的情况，表明槽位置比垄位置更容易成键。本文也研究了多个Si60分子在单晶硅表面沉积，研究发现Si60分子可以在单晶硅表面形成均匀致密的薄膜。

目录

低能硅富勒烯团簇在硅表面沉积的分子动力学研究

MOLECULAR DYNAMICS STUDY OF

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.1.1 硅富勒烯以及硅纳米结构的应用

1.1.2 计算机模拟方法

1.2 课题来源及意义

1.3 硅富勒烯纳米结构的国内外研究现状

1.3.1 硅富勒烯分子纳米结构的研究

1.3.2 Si60分子纳米结构的研究

1.4 课题的主要研究内容

第2章 分子动力学模拟方法

2.1 分子动力学方法

2.1.1 分子动力学基本思想

2.1.2 分子动力学基本原理

2.2 势函数

2.2.1 经验对势

2.2.2 多体作用势

2.3 数值积分方法

2.4 边界条件

2.5 初始条件

2.6 时间步长的选择

2.7 本章小结

第3章 Si60分子在单晶硅表面沉积模拟

3.1 原子间作用力的推导

3.2 系统温度控制

3.3 宏观物理量的统计

3.4 程序的编制

3.5 计算模型的确立

3.6 单个Si60富勒烯分子在单晶硅表面沉积

3.6.1 Si60分子在Si(111)表面沉积的模拟

3.6.2 Si60分子在Si(100)表面沉积的模拟

3.7 本章小结

第4章 多个Si60分子在单晶硅表面沉积模拟

4.1 两个Si60分子在单晶硅表面沉积模拟

4.1.1 横向沉积

4.1.2 纵向沉积

4.2 三个Si60分子在单晶硅表面沉积模拟

4.3 四个Si60分子在单晶硅表面沉积模拟

4.4 五个Si60分子在单晶硅表面沉积模拟

4.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢