Fcc(111)面薄膜三维生长的计算机模拟

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随着科技的发展,薄膜制备技术的应用越来越广泛。薄膜科学研究成果转化为生产力的速度愈来愈快。由于薄膜的生长过程非常复杂,用实验的方法研究薄膜的生长过程存在一定的困难。利用计算机模拟的方法在原子尺度上揭示薄膜形成微观结构的演化规律,对改进和优化薄膜生长工艺、提高薄膜质量、改善薄膜性质具有重要意义。  本文建立了一个基于动力学蒙特卡罗方法(Kinetic Monte Carlo method)的薄膜三维生长模型,模拟基底为Fcc(111)面900×900的六角晶格,采用周期性边界条件。考虑了粒子从高处沉积至基底,粒子在基底表面扩散,层间扩散,绕岛形核以及岛长大等过程。对Fcc(111)面不同条件下的生长形貌(三角形岛,六角形岛)进行了分析,并与实验研究相比较,模拟结果与实验结果符合得比较好。在此基础上,对固定沉积位模型不同生长条件(基底温度、沉积速率、覆盖率等)的薄膜同质外延生长进行了模拟研究,对缺陷中层错的几种情况与Fcc(111)面心立方生长结构相对比,并且考虑了Fcc(111)面上原子随机的沉积在fcc、hcp位的模型,并将这一模型与固定沉积位模型在不同生长条件下进行对比。  模拟研究的结论如下:扩散粒子绕岛运动时,其最近邻粒子对其的束缚能力是引起薄膜生长形貌变化的主要因素;粒子绕岛过程使岛形貌趋于紧致,形成大量的三重空位,使上层粒子生长概率增大,导致薄膜表面粗糙度增加;Fcc(111)基底结构上岛边缘亚稳原子的边-角,角-边,边-边扩散的各向异性是薄膜生长形貌由六角形岛向三角形岛转变的决定因素;层错情况的岛形貌与正常情况的岛形貌差别不大;在相同条件下,原子的fcc、hcp位随机沉积模型比固定沉积位模型的岛个数稍多,岛尺寸稍小,粗糙度偏小一些;薄膜表面的粗糙度随覆盖率、上跃概率的增大而增大,随下跃概率的增大而减小,随基底温度和沉积速率的增大先增大后减小。  
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