外延薄膜晶体失配位错形成的动力学条件

摘要

薄膜晶体缺陷主要形成于原子沉积生长过程中，已有实验分析手段的空间和时间分辨能力都无法达到对原子尺度微观过程的研究，而基于分子动力学的计算机模拟为薄膜生长与缺陷形成研究提供了一个十分有效的手段。本文以外延生长面心立方金属铝为对象，采用三维分子动力学方法对薄膜中失配位错形成的原子机理与控制方法进行了原子模拟研究，原子间相互作用力采用EAM多体势函数来计算。本文主要内容有：外延生长薄膜的分子动力学模型、模拟方法及其原子弛豫过程和应用；温度对外延生长薄膜中失配位错形成的影响；表面增原子对外延薄膜失配位错形成的诱发作用；以及外延薄膜晶体中失配位错与失配性质的关系。研究认为： (1) 失配位错的形成在同一失配度大小和相同的温度时，正失配下的薄膜比负失配下的更难以形成失配位错； (2) 在同一失配度下，失配位错形成所需时间与生长的温度有关，温度越高，位错的形成越容易； (3) 当生长温度接近或高于铝的熔点时，负失配下的薄膜比正失配下的更难熔化。 (4) 较高的温度会促进失配位错的形成；对表面原子级光滑的外延薄膜而言，同样条件下的薄膜中难以形成失配位错；而同样条件下有增原子的表面却可以形成失配位错； (5) 表面增原子会诱发外延膜失配位错形成，较大的原子团其驱动作用也较大。模拟中发现了两种失配位错形成机制：一种是经历多余半原子面挤出过程而直接得到一个全位错，另一种是先形成由两个部分位错夹着一片层错的扩展位错，之后才得到全位错；但它们的伯格斯矢量都是与失配应变方向1/2[110]平行的刃型位错。 (6) 同样条件下的薄膜体系，薄膜中失配应变能(超过了对应失配度下的临界厚度)对薄膜失配位错的形成起决定作用。 (7) 正失配条件下的滑移成核需要薄膜内部和表层的一大片原子参与，而负失配条件下的挤出成核仅需薄膜表层的几个原子位置改变即可，它们的挤出所需克服的能垒更低。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1外延薄膜晶体中位错问题的重要性

1.2失配位错及其形成的热力学条件

1.3失配位错形成的动力学条件及其意义

1.4分子动力学方法的原理、技术及其在本研究中的应用

1.4.1原理

1.4.2技术

1.4.3应用

1.5国内外对失配位错形成的原子模拟研究

1.6本文研究内容与目的

第二章温度对外延薄膜失配位错形成的影响

2.1模型和参数设置

2.2生长温度对外延薄膜体系失配位错形成的影响

2.2.1对负失配体系下的薄膜的影响

2.2.2对正失配体系下的薄膜的影响

2.3小结

第三章表面增原子对外延薄膜失配位错形成的诱发作用

3.1模型和参数设置

3.2增原子对失配位错形成的诱发作用及其影响

3.3小结

第四章外延薄膜晶体失配位错与失配性质的关系

总结

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果