STO/Si半共格界面失配位错和位错穿越Al/Pd共格界面行为的相场位错模型

摘要

本文建立了基于相场微弹性理论和派纳模型的相场位错模型，研究了STO/Si半共格界面上的失配位错网络和位错穿越Al/Pd共格界面的行为。
　　第一，在弹性各向异性且结构非均匀的连续介质的相场微弹性理论的基础上，相场位错模型研究了低能的STO/Si界面失配位错的柏氏矢量类型，得到了二维模型的位错间距和STO膜厚的关系，并推导了考虑了系统内均匀弹性能、位错弹性能和晶格能的理论公式，两者具有一致性，发现随着STO膜厚的增加，位错间距逐渐降低并趋近于理论错配间距。基于初步拟合的γ-表面，本文建立了三维模型，模拟了界面失配位错网络的形貌。因为互相垂直的位错线交叉引起位错节点处的能量降低，使三维模型的位错间距比二维模型间距小。
　　第二，模型还计算了位错穿越纳米多层膜共格界面的临界应力和界面弹性模量梯度的关系，发现临界应力随着弹性模量梯度增加而增加。模型引入了轻触弹性带算法，实现了对纳米多层膜中的全位错分解、分位错依次穿越界面的全过程的最低能量路径和热激活能垒的计算，这有助于通过位错机制解释纳米多层膜的超硬化机理。模型改进了轻触弹性带算法，在不影响迭代精度的同时提高了迭代效率，使迭代步骤数减少到原来的二到五分之一。
　　第三，本文实现了相场位错模型的算法改进。一方面，将相场位错模型的计算单元非均匀化，并修正了弹性应变场的迭代公式，在不影响计算结果准确性的情况下大大减小了计算规模，使计算时间减少到原来的十到四十分之一。另一方面，基于相场模型计算粒度均匀特点，对程序进行并行化改写，并在多核CPU平台和GPU加速平台实现，在CPU平台的加速比达到理论值的80％，通过GPU加速卡获得了10到20倍的加速比。使计算规模可以增加数十倍，同时大大提升了相场模型的计算效率，使相场位错模型可以精细地计算大规模的三维位错网络。

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第一章 绪论

1.1相场方法和相场位错模型

1.2相场位错模型的应用

1.3相场位错模型算法的加速

1.4本章小结

第二章 基于相场微弹性理论的相场位错模型

2.1相场位错方法

2.2相场位错模型的算法

2.3相场位错模型研究位错分解问题

2.4本章小结

第三章 STO/Si界面失配位错网络的相场模型

3.1失配位错网络的相场模型

3.2失配位错相场模型的计算结果

3.3失配位错相场模型的结果讨论

3.4本章小结

第四章 纳米多层膜中位错穿越界面的相场模型

4.1相场位错模型研究位错动力学问题

4.2直位错穿越界面的相场模拟

4.3位错通过热激活穿越界面的NEB计算

4.4本章小结

第五章 相场位错模型的计算加速

5.1非均匀计算网格的实现

5.2模型算法多核CPU和众核GPU并行的实现

5.3本章小结

第六章 结论

6.1主要工作与创新点

6.2后续研究工作

参考文献

致谢

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