Cu(100)表面Cu的原子扩散、构型演变和薄膜脉冲沉积的模拟

摘要

本文通过对Cu原子在Cu(100)表面的扩散、Cu原子岛在Cu(100)表面的构型演化以及Cu薄膜的二维Monte Carlo脉冲沉积的模拟，研究与Cu薄膜在Cu(100)表面沉积初期相关的微观动力学过程。
　　先构造了一个由4×4×5个Cu原子组成的超晶胞、并采用周期性边界条件来模拟Cu(100)衬底表面，计算了在Cu(100)表面的不同构型中活跃Cu单原子的扩散势垒，在此基础上对Cu(100)表面众多的原子构型提出了一种新的分类方法，分析了构型中其它原子对活跃原子势垒的影响，包括Cu-Cu键的断裂和形成及其断裂和形成形式、ledge的存在与否等，还把各个亚类的势垒进行了参数化回归分析。模拟和计算结果表明，本文所提出的分类方法简明、直观，并能很好地区分与活跃原子距离不同的原子对活跃原子势垒的不同影响。
　　考察了超晶胞弛豫的两种方式，即电子弛豫和弹性弛豫，对于超晶胞能量的影响，研究表明电子弛豫对于超晶胞能量的影响大于弹性弛豫的影响。还以0-0构型为代表分析了超晶胞弛豫导致的原子相对于完整晶体的位移，发现原子的位移与活跃Cu原子的距离有关，距离越近，弛豫后的原子位置变化就越大。
　　对于各种原子构型在衬底温度为300 K时的演化和稳定性的分析显示，尽管一个原子构型的所有原子只要其配位数不为四都有可能扩散，但由于这些原子的扩散势垒并不相同，只有其中某些扩散类型才有较大的概率发生，这些扩散决定着构型的演化趋势。演化分析表明，Cu原子更容易向形成配位数比较高的位置扩散。在300 K下，三角型三原子岛和致密四原子岛是比较稳定的构型。
　　选择了Cu原子数从2～30不等的原子岛的若干构型，模拟Cu原子岛在大小为10000×10000的Cu(100)表面的扩散和构型演化过程，分别计算了在300、400、500和600 K温度时这些原子岛的扩散系数以及其它扩散参数。模拟结果显示，对于相同原子数的原子岛，虽然构型不一样，但演化的最终构型相差不大，各且个构型下的扩散系数都在同一量级，对数扩散系数差别很小;在同一温度下，一般来说，小岛比大岛扩散系数大，容易扩散，但温度较高时扩散系数并非随原子数的增加而单调减小;对于同一种原子岛，湿度越高，其扩散系数越大，且原子岛的最终位置之间的差异增大。
　　模拟的结果还表明，在温度较低时，原子数大于3的原子岛即使最初的构型不一样，但最终都会形成比较致密的构型，而温度升高时原子岛的最终构型将不再保持一致，原子岛也有可能分解，且温度越高，分解的概率越大;当原子数量增加到一定程度时，原子岛的扩散系数将趋于稳定。
　　用Monte Carlo方法模拟了不同温度和不同沉积强度下Cu原子在Cu(100)表面的二维脉冲沉积扩散过程，其中以具有周期性边界的100×100 Cu(100)表面为衬底。对于温度为600 K、低强度（100个原子）的单次脉冲沉积及随后的扩散过程的模拟表明，在脉冲沉积后很短时间内单个原子的数量急剧减小，Cu原子在扩散中和其它原子迅速聚合形成Cu原子岛，Cu原子岛经过扩散和其它原子岛融合为大岛，原子岛的数量逐渐减少;不过大岛扩散系数较小，扩散很慢，经过较长的时间才能融合;此外，由于岛中Cu原子的扩散，大岛也会发生变型，也可能会因为岛边沿的Cu原子脱附而分解为小岛。
　　多脉冲沉积的模拟结果表明，不同温度和不同沉积强度下的扩散过程差别较大;当沉积强度增大时，原子岛的平均尺寸增大，同时各岛之间的差异也增大;每一次沉积之后原子岛的数量迅速减少，温度越高，沉积强度越大，则原子岛数目减少得越快，而原子岛的平均尺寸随脉冲沉积次数的增加而增大;温度较低时，Cu原子扩散能力不强，只在初始位置附近扩散遇到其它原子聚合形成原子岛，所以原子岛的尺寸一般较小，形成的原子岛的数量较多;随着温度的升高，Cu原子和原子岛扩散能力增强，可以扩散到较远的位置，容易和其它原子聚合或者与其它原子岛融合，岛的数量不断减少，尺寸逐渐增大，当沉积的覆盖度增加时，可能会形成几个很大的岛。
　　通过计算Cu(100)表面Cu原子势垒、分析原子构型演化、模拟Cu(100)表面原子岛的扩散以及Cu(100)表面Cu膜脉冲沉积，有助于了解与Cu薄膜在Cu(100)表面沉积初期相关的微观动力学过程，也有助于预测沉积的膜层的形貌，并可以为筛选合适的沉积条件提供参考。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 计算物理学和计算机模拟

1．2 薄膜沉积和生长

1．3 薄膜沉积和生长的微观动力学研究

1．4 本论文的主要研究内容和创新点

1．4．1 本论文的主要研究内容

1．4．2 本论文的创新点

参考文献

第二章 模拟模型介绍

2．1 分子动力学

2．2 第一性原理和VASP

2．3 Monte Carlo模拟

参考文献

第三章 Cu(100)表面原子势垒的计算和原子构型的演化

3．1 Cu(100)表面Cu原子的运动及其动力学研究

3．2 计算方法

3．2．1 晶格常数的计算

3．2．2 势垒的计算

3．3 构型分类

3．3．1 构型分类方法

3．3．2 基本类

3．3．3 导出类构型

3．3．4 较远原子的影响

3．4 原子势垒的参数化回归分析

3．5 双原子岛、三原子岛和稳定构型

3．6 原子构型的演化分析

3．7 Cu原子跳跃过程中的位移分析

3．8 衬底的弛豫

3．9 本章小结

参考文献

第四章 Cu(100)表面原子岛的扩散

4．1 扩散的Monte Carlo模型

4．2 原子岛的扩散

4．2．1 模型的基本影响因素和模拟条件

4．2．2 双原子岛的扩散

4．2．3 三原子岛的扩散

4．2．4 四原子岛的扩散

4．2．5 五原子岛的扩散

4．2．6 六原子岛的扩散

4．2．7 其他多原子岛的扩散

4．2．8 不同尺寸原子岛的扩散参数的分析

4．3 本章小结

参考文献

第五章 Cu(100)表面薄膜的脉冲沉积

5．1 脉冲沉积

5．2 模拟模型

5．3 单次脉冲沉积

5．3．1 沉积条件和参数

5．3．2 低强度单次沉积

5．4 多次脉冲沉积

5．4．1 多次脉冲沉积的模拟处理

5．4．2 低温下的多次沉积

5．4．3 常温下不同强度的多次沉积

5．4．4 衬底加温条件下的多次沉积

5．4．5 模拟结果讨论

5．5 本章小结

参考文献

第六章 总结和建议

6．1 本文总结

6．1．1 原子势垒和原子构型

6．1．2 原子岛扩散

6．1．3 脉冲沉积

6．2 进一步工作的建议

参考文献

一、攻博期间的课题研究

二、攻博期间已发表和待发表的论文

致谢

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