入射能量对Au/Au(111)和Cu/Si(001)纳米薄膜生长初期影响的分子动力学模拟

摘要

纳米薄膜由于其具有独特的光学、电磁学以及催化等特性,在纳米光子学,电子工业和生物传感器,催化作用以及医学理疗等许多领域表现出了广泛的应用前景,因而对于纳米薄膜的研究成为近年来科学研究的热点之一。由于纳米薄膜的生长过程直接影响其微观结构、形貌进而决定薄膜的特殊性质,因此,了解纳米薄膜的生长机制对控制薄膜生长参数以提高薄膜质量有重大意义。纳米薄膜的生长涉及原子水平上的理论分析,而现有的实验条件无法实现原子的追踪,为弥补实验的不足,借助计算机模拟的方法,从原子尺度去研究纳米薄膜生长的微观机制,为纳米薄膜生长机制的研究提供理论依据。
　　本文利用分子动力学方法,分别利用多原子沉积程序和开源C++代码软件LAMMPS模拟了Au/Au(111)和Cu/Si(001)纳米薄膜的生长过程。讨论了入射能量对纳米薄膜生长初期的影响。主要工作和研究结果如下:
　　对于模拟Au/Au(111)薄膜的生长,采用嵌入原子方法的原子间相互作用势,分析了沉积层原子结构,计算了薄膜表面粗糙度,层覆盖率。结果表明:当入射能量( Ein)范围是0.1eV-50eV时,25eV是一个过渡能量值,Au(111)基体的溅射阈值大约是25eV。当Ein小于25eV时,沉积层和基体表层均呈现规则的单晶面心立方(111)表面的排列,薄膜表面粗糙度随着入射能量的增加而降低;当25eVEin时,沉积层表面原子结构出现了较为明显的晶界,随着入射能量的增加,薄膜表面粗糙度增加,沉积层和基体表层原子排列越不规则,导致基体和薄膜内部缺陷的产生。
　　对于模拟Cu/Si(001)薄膜的生长,采用修正的嵌入原子方法的相互作用势,分析了入射能量对薄膜表面形貌、界面原子混合程度的影响,计算了薄膜表面粗糙度、层覆盖率及沉积率。结果表明:当入射能量(1187eVin.E)时,原子在界面处的混合不明显,随着能量的增加,薄膜的粗糙度下降,入射能量的增加有助于膜基之间的结合;当1187eVin.E时,随着入射能量的增加,粗糙度降低,界面处原子的混合程度加深,出现溅射现象。

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第1章 绪论

1.1 纳米薄膜材料简介

1.2 薄膜生长研究的介绍

1.3 低能沉积薄膜的分子动力学模拟研究现状

1.4 本文的组织结构

1.5 本文的研究目的及主要工作

第2章分子动力学模拟方法的介绍

2.1引言

2.2分子动力学模拟的基本思想

2.3分子动力学的基本算法

2.4经典分子动力学的近似处理

2.5基体模型的近似处理

2.6分子动力学的系综

2.7原子间相互作用势介绍

2.8分子动力学计算流程

2.9 分子动力学模拟软件介绍

第3章Au/Au(111)薄膜生长的分子动力学模拟

3.1 引言

3.2 物理模型和计算方法

3.3 模拟结果与讨论

3.4 薄膜生长过程的分析

3.5 本章小结

第4章 Cu/Si(001)薄膜生长的分子动力学模拟

4.1 引言

4.2 物理模型的构建

4.3 沉积过程

4.4 沉积过程的模拟结果及分析

4.5 本章小结

第5章 全文总结及展望

5.1本文主要研究工作

5.2本文主要创新点

5.3本课题存在的问题及今后研究的设想

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况说明

致谢