低能氩离子注入非晶氧化物工艺的模拟计算方法研究

摘要

室温下钛酸锶（SrTiO3）晶体本身是一种绝缘体，研究发现，通过掺杂可以使其表面获得导电层，使其变为半导体。向SrTiO3里面掺杂Nb能使其导电，并且，通过改变Nb的浓度可以调节它的电导率。十年前，用 Ar+轰击 SrTiO3 之后发现，在 SrTiO3的表面得到了导电层，于是他们就提出了氧空位导电机制。从那之后，人们开始对SrTiO3的导电层进行研究。利用Ar+轰击SrTiO3是得到高电导层的非常有效的方法，因为氧原子的扩散速度明显高于钛、锶原子。至今，利用Ar+轰击SrTiO3已经发现了蓝光发射现象、光电流现象、磁阻现象等。所以，研究氧空位对于研究SrTiO3起着至关重要的作用。因此，本文就Ar+轰击SrTiO3的离子注入及缺陷分布进行了研究，利用了SRIM程序模拟Ar+轰击SrTiO3，研究了入射离子的条件及靶材料的条件对表面缺陷分布的影响，同时，提供了一种考虑刻蚀过程下的缺陷分布的计算方法。 本文采用了蒙特卡罗模拟计算的方法，首先介绍了蒙特卡罗方法的基本思想以及他的可靠性。其中，SRIM程序是以蒙特卡罗方法为基础的离子注入模拟软件。本文利用SRIM程序模拟Ar+轰击SrTiO3，同时，为了确保模拟的准确性，对模拟参数进行了解释。特别是模拟过程中一个重要的参数——能量位移阈能，它表示了原子离开自身位置所需要的最低能量。 为了研究入射离子对表面离子分布及缺陷的影响，本文采取不同能量以及不同角度的入射离子Ar+轰击SrTiO3。利用SRIM程序模拟Ar+轰击SrTiO3，Ar+的入射能量分别用50eV、100eV、150eV、200eV、250eV、300eV，Ar+的入射角度分别为0°、10°、30°、50°、70°、90°，获取原子分布情况以及缺陷分布情况，在相同入射离子的条件下对比不同原子的分布和在不同入射离子的条件下对比相同原子的分布以及缺陷分布情况。研究表明：Ar+、O原子的分布情况呈现高斯分布，且高斯峰值点横坐标Rp与Ar+的入射能量和入射角度呈线性关系。缺陷方面，氧空位浓度分布情况也呈现高斯分布，同样随着Ar+的入射能量和入射角度呈现线性变化。不同的是，当角度持续增大时，氧空位浓度分布会偏离高斯分布，呈现指数下降趋势。 同时研究了靶材料密度变化对表面离子分布及缺陷的影响。采取同样的方式进行模拟，不同的是，入射离子Ar+固定能量为300eV，入射角度为0°（垂直靶材料表面入射），靶材料密度分别选取75%、80%、85%、90%、95%、100%的SrTiO3晶体初始密度。研究表明：Ar+、O原子的分布情况同样呈现高斯分布，且高斯峰值点横坐标Rp与靶材料密度呈线性关系。缺陷方面，氧空位浓度分布情况也呈现高斯分布，但相对于前面改变入射离子条件的影响更小，高斯分布峰值变化不大。 最后，提出了一种基于蒙特卡洛模拟辅助控制离子注入时间的方法。因为SRIM程序不能对时间进行模拟，也就是说，该模拟是不考虑刻蚀效应的，但在实际的实验操作中，随着注入时间的增加材料表面会被刻蚀。所以该方法以SRIM程序为基础，考虑实际实验过程中的刻蚀效应，采用迭代计算的方法，通过不断叠加计算出离子注入的时间与非晶化层的关系，从而辅助实验中离子注入的时间。

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