MgO（010）表面上同质外延生长机制的分子动力学模拟研究

摘要

随着现代微电子领域的高速发展，金属氧化物的层状外延生长在先进材料的研发领域引起了非常广泛的关注，诸如高温超导氧化物薄膜、受载的金属氧化物催化剂等，在许多领域都有着广泛的应用。为了提高薄膜质量，人们总是通过调整制膜工艺条件来控制成膜的微观过程，以尽快地探索出成膜的最佳工艺条件，这就需要从原子水平上对薄膜生长中各种复杂的原子过程有较深入的理解。而计算机模拟恰好提供了这样一个有效的手段，帮助我们解决一些实验当中无法实现的问题。 本论文应用分子动力学方法和计算机制图技术模拟观察了MgO(010)表面的同质外延生长过程。首先，我们研究计算了在MgO衬底上单个和多个MgO纳米团簇在升温过程中的结构变化，并通过计算对分布函数以及径向分布函数曲线来描述体系在升温过程中团簇及衬底结构的变化，研究发现：随着系统温度的升高，无论是单团簇还是多团簇都有从三维向二维生长的趋势，且团簇结构向衬底表层致密生长，接近衬底区域的团簇原子数目明显较多，并保持有一定的MgO结构，然而多团簇没有单团簇的二维生长趋势明显。 其次，模拟研究了MgO分子在MgO(010)衬底上的沉积过程，即MgO分子携带一定的能量并且按一定的时间间隔逐个沉积在MgO(010)表面上。通过对载能MgO分子沉积行为的研究发现：薄膜的沉积质量与衬底温度、入射分子能量及入射角等因素密切相关。随着衬底温度的升高，原子在薄膜表面的扩散能力增强，外延程度随之提高，但衬底温度超过某一临界值时，外延程度反而有所降低；沉积分子自身携带的能量越高，则其扩散能力也越强；MgO沉积分子带有一定的倾斜角度入射，薄膜沉积效果要比垂直入射效果好，外延程度也较高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1计算材料研究方法概述

1.2薄膜科学研究的意义与计算材料学在薄膜科学中的应用

1.2.1薄膜科学研究的意义

1.2.2薄膜研究的发展概况

1.3本研究工作的课题来源

1.4本文研究重点

第二章计算机模拟方法

2.1计算机模拟的意义及发展概况

2.2分子动力学方法

2.2.1分子动力学基本原理

2.2.2分子动力学元胞

2.2.3分子动力学模拟的边界条件

2.2.4分子动力学模拟的系综

2.3分子动力学模拟的模拟步骤

2.3.1起始位置和初始速度

2.3.2速度修正法

2.4计算机模拟中的原子间相互作用势

2.4.1经验势(empirical potential)

2.4.2基于第一性原理的自恰势(self-consistent potential)

2.4.3紧束缚势(tight-binding potential)

2.5分析技术

2.5.1能量分析技术

2.5.2原子平均内能

2.5.3平均平方位移

2.5.4径向分布函数(RDF)

2.5.5原子对分析技术

2.6程序设计思想

2.6.1模拟中使用的近似

2.6.2计算流程图

第三章MgO团簇的结构在衬底表面随温度变化的MD模拟

3.1模拟方法

3.2温度对衬底表面团簇结构形貌的影响

3.3结构分析

3.4小结

第四章MgO分子在衬底MgO(010)表面沉积过程的MD模拟

4.1 MgO分子沉积的模拟方法和基本参数

4.2衬底温度对沉积成膜的影响

4.3沉积分子的入射能量对沉积成膜的影响

4.4入射角度对沉积成膜的影响

4.5小结

第五章结论

参考文献

致谢

附录 攻读硕士期间发表的论文：