薄膜生长计算机模拟概论

薄膜生长计算机模拟概论／文黎巍等

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薄膜生长计算机模拟概论。

文黎巍，郭巧能，丁

俊，文书堂，杨仕娥

（郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室，郑州４５００５２）

摘要

阐述了计算机模拟薄膜生长的重要意义，介绍了计算机模拟薄膜生长的主要步骤和方法，重点阐述了蒙

特卡罗和分子动力学方法的基本原理、关键问题及研究与应用进展，展望了薄膜生长计算机模拟的发展趋势。

关键词

薄膜计算机模拟蒙特卡罗分子动力学

ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｓｐｅｃｔｕｓｏｆＴｈｉｎＦｉｌｍＧｒｏｗｔｈ

ＷＥＮ

Ｌｉｗｅｉ，ＧＵＯＱｉａｏｎｅｎｇ，ＤＩＮＧＪｕｎ，ＷＥＮＳｈｕｔａｎｇ，ＹＡＮＧＳｈｉｅ

（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭａｔｅｒｉａｌＰｈｙｓｉｃｓｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００５２）

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｅ

ｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｆｉｌｍｇｒｏｗｔｈｉｓｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ．Ｔｈｅｍａｉｎｓｔｅｐｓ

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ｆｉｌｍ，ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ，ｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓ

０

引言

有效途径。就像Ｐｏｉｎｃａｒｅ说的那样，我们没有太多时间去看清世界万事万物的每一个方面，我们需要选择，需要抓住事物的主薄膜材料在光学、电学、磁学、力学和热学等方面具有许多

要矛盾。选择、简化、假设、近似和模拟，是从事计算模拟工作者特殊的性质，在现代材料特别是电子材料中占有日益重要的地应遵循的基本思路，也是他们应具备的重要思想方法。

位。近年来，薄膜材料在各个领域的应用迅速增加，如电子领域为了建立薄膜的生长模型，首先必须对实际的薄膜生长过的集成电路，机械和工具制造领域的耐磨、防腐及光学涂层程有一个清晰的了解。薄膜的生长过程就是成膜粒子在衬底上等ｆ１］。薄膜的性质主要是由其微观结构决定的，而薄膜的微观

的运动和聚集过程，主要包括以下运动过程：首先是气相粒子的结构则与制备和生长过程密切相关，因此，为了获得所需特性的

入射和吸附，不同入射状态（包括入射能量和角度等）将影响粒薄膜，必须对薄膜的生长过程及微观机理有较深入的了解。

子到达衬底上后的扩散运动；然后是粒子在衬底上的扩散，该过目前薄膜材料领域的基础研究主要包括以下几个方面：（１）程主要受到粒子能量（与入射状态和衬底温度有关）和衬底环境“黑匣子”实验法。该方法不考虑具体的薄膜生长过程，直接研（包括衬底形貌和晶格结构、衬底中的杂质和缺陷、衬底原子和究制备参数与其结构、性能之间的关系，缺点是对于多参数问题粒子问的作用势等）的影响；最后是粒子的凝聚或脱附。粒子在实验工作量大、周期长，盲目性大、耗资耗力；（２）在线监测实验扩散过程中若遇到其它粒子或聚集体就凝聚起来，并逐步形成法，即通过各种光谱和电子显微技术在线监测薄膜生长的气相稳定核、岛、沟道和连续薄膜。若粒子能量较大就不容易凝聚，反应和表面生长过程。该方法可以获得薄膜生长的部分信息，即使凝聚在一个聚集体上也能沿着其边沿迁移，可能再次脱离但在线监测设备通常十分昂贵；（３）计算机模拟法，也称计算机衬底而成为气相粒子，这一过程即为脱附。薄膜的实际生长过实验法，是通过建立合理的薄膜生长模型，在计算机上进行薄膜程非常复杂，建立模型时应注意突出主要问题，忽略次要影响，生长实验。与前两种方法相比，采用计算机模拟薄膜的生长过将实际过程大大简化。

程，不仅解决了实验上耗资耗力、重复性差等弊端，而且可以从根据模拟对象的不同，薄膜生长的理论模型可分为两类，即原子甚至电子尺度上分析薄膜的生长机制，进而为优化制膜工普适性模型和针对性模型。前者与具体的薄膜材料无关，目的艺提供理论依据。

是研究薄膜生长的一般性规律；后者则是针对某种特定的薄膜１

计算机模拟薄膜生长的主要步骤

材料，建立模型时需要考虑薄膜甚至衬底材料的晶格结构及原子间作用势等，其目的是要进一步得到此类薄膜材料生长的详１．１建立生长模型

细信息。当前关于薄膜生长的理论模型主要有ＬＧ模型、固一固建立合理的模型是研究认识真实世界万事万物复杂现象的

模型、Ｅｄｅｎ模型、扩散限制聚集（ＤＬＡ）模型、反应限制聚集

＊国家重点基础研究发展计划（２００６ＣＢ２０２６０１）；河南省自然科学基金（０７２３００４１００８０）文黎巍：女，１９８１年生，硕士，从事低维材料计算模拟工作

Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｊ—ｅ＠ｓｏｈｕ．ｔｏｍ杨仕娥：联系人Ｔｅｌ：０３７１—６７７６６９１７

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ｍａｉｌ：ｙａｎｇｓｈｉｅ＠ＺＺｌＬｅｄｕ．ａｎ

万　

方数据

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材料导报２００８年８月第２２卷专辑Ⅺ

（ＲＩＡ）模型等［２］，其中ＤＬＡ和ＲＬＡ模型近年来得到了广泛应

用和发展”Ｊ。

１．２选择合适的模拟方法

理论模型建立以后，即可选取适当的模拟方法进行计算模拟。研究生长过程的数值模拟方法包括第一性原理方法、蒙特卡罗（ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ，Ｍｃ）方法和分子动力学（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍ—ｉｃｓ，ＭＤ）方法，以及它们相互结合产生的第一性原理分子动力学（Ａｂ

ｉｎｉｔｉｏ

ＭＤ）和动力学蒙特卡罗（ＫｉｎｅｔｉｃＭｏｎｔｅ

Ｃａｒｌｏ，

ＫＭＣ）等方法。其中，第一性原理方法（也称量子力学方法）精确度最高，但由于计算量太大，在薄膜生长的模拟中不宜单独使用。上述几种方法所研究对象的时间尺度和空问尺度各不相同，在具体的模拟计算中选择何种方法，要依据我们的研究对象、研究目的及计算精度而定。例如：若要深入研究化学气相沉积（ＣＶＤ）薄膜的反应机制，可选用第一性原理分子动力学方法，它可以得到薄膜生长过程中键的形成和断裂情况，并可以从电子尺度上分析其反应机制；若要研究不同沉积条件下原子的扩散轨迹，经典的分子动力学方法是一种最好的选择，它可以展示一段时间内原子运动的动态图像；若要在较长的时间尺度和较大的空间尺度上模拟薄膜的生长过程，则应选择蒙特卡罗方法。表１是对几种常用方法所能模拟的时间和空间尺度进行的比较。

表１

几种模拟方法所能处理的时 …… 此处隐藏：12295字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……