Cu（001）表面吸附原子扩散行为的分子动力学研究

摘要

表面吸附原子和表面二聚体的扩散是薄膜表面物理领域研究的重点课题之一。对表面吸附原子和表面二聚体的扩散过程进行必要的分析是在原子水平上开展薄膜生长机制研究的首要任务，对于理解薄膜生长的物理本质有着重要的指导意义。本文采用嵌入原子方法的原子间相互作用势，利用准静态分子动力学模拟研究了Cu(001)表面Cu原子在Cu(001)表面吸附所导致的基体晶格畸变以及对其附近的另一个吸附原子自扩散行为的影响，提出了暂稳态二聚体的概念，进而又对带有暂稳态的同质和异质表面二聚体进行了对比研究。 本文的主要研究内容及结论如下： 1.单个表面吸附原子所产生的晶格畸变 表面吸附原子的存在可以导致多达10层的Cu基体晶格产生畸变，受吸附原子的影响，Cu(001)基体最表层原子发生明显高度变化的区域达到了约4a0×4a0的范围， 2.表面吸附原子的存在对另一个吸附原子自扩散行为的影响 两个表面吸附原子所产生的晶格畸变应力场之间的相互作用，可以导致吸附原子运动活性的增加。通过比较同一路径上往返跳跃扩散势垒的差异，我们发现，在原子间相互作用势的有效距离之外，两个吸附原子的扩散行为可以认为是存在晶格畸变应力场相互作用的两个独立吸附原子的扩散；在原子间相互作用势的有效距离之内，两个吸附原子的扩散行为则应该看成是处于不同暂稳态的二聚体的扩散。 3.暂稳态的存在对二聚体扩散行为的影响 温度低于400K时，二聚体在微观时间尺度上寿命无限大，可以在表面上长期存在；扩散系数很小，运动活性很弱；第二、第三暂稳态的引入对二聚体的寿命和扩散系数基本没有影响。温度高于400K时，二聚体开始出现消亡现象，随温度不断升高，二聚体的运动活性逐渐提高，而在表面存在的寿命逐渐缩短；相同温度下带有第二、第三暂稳态的二聚体比不带暂稳态的二聚体寿命延长，而扩散系数基本保持不变，二聚体在表面的活动范围增大。 4.同质、异质表面二聚体的扩散行为 Cu(001)表面Cu吸附原子和与Cu吸附原子组合形成的各种二聚体运动活性由高到低排序为Cu-Ag、Cu、Cu-Au、Cu-Cu、Cu-Pd、Cu-Ni；二聚体扩散寿命由高到低排序为Cu-Ni、Cu-Pd、Cu-Cu、Cu-Au、Cu-Ag。

目录

文摘

英文文摘

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1 引言

1.1薄膜研究的发展概况

1.2现阶段薄膜生长的研究方法

1.3表面吸附原子扩散在研究薄膜生长中的作用

1.4本论文工作的主要目的和研究重点

2 计算机模拟及分子动力学方法

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计算机模拟中的原子间相互作用势

2.3.1原子间相互作用势的种类

2.3.2基于有效介质方法的原子间相互作用势

2.3.3 EAM原子间相互作用势

2.4模拟中使用的近似

3 CU(001)表面CU吸附原子扩散行为研究

3.1相关参量的计算方法

3.1.1计算模型

3.1.2表面势垒的计算方法

3.1.3表面局域压力的计算方法

3.2表面吸附原子所导致的晶格畸变

3.2.1表面吸附原子所导致的基体原子位置变化情况

3.2.2表面吸附原子对基体最表层局域压力的影响

3.3吸附原子沿低局域应力沟道的扩散

3.3.1低局域压力沟道上吸附原子正反向扩散势垒比较

3.3.2基体晶格畸变场间的相互作用分析

3.4非应力沟道位置的吸附原子扩散行为

3.4.1非应力沟道位置的吸附原子扩散势垒的计算

3.4.2暂稳态二聚体存在的范围

3.5本章小结

4 CU(001)表面二聚体扩散行为研究

4.1表面二聚体的跳跃扩散机制

4.1.1传统概念上二聚体的跳跃扩散机制

4.1.2暂稳态存在时二聚体的跳跃扩散

4.2相关参量的计算方法

4.2.1表面二聚体寿命的计算方法

4.2.2扩散系数的计算方法

4.2.3表面二聚体的跳跃扩散势垒

4.3暂稳态的存在对Cu(001)表面Cu-Cu二聚体扩散的影响

4.3.1暂稳态存在时表面二聚体的寿命和扩散系数

4.3.2暂稳态存在时表面二聚体扩散的Arrhenius行为

4.4异质表面二聚体扩散行为研究

4.4.1异质表面二聚体的寿命比较

4.4.2异质表面二聚体的扩散系数

4.5本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢