铝薄膜的生长过程的计算机模拟
2016-08-22王翰林赵鹏远长春理工大学吉林长春130022
王翰林 赵鹏远（长春理工大学，吉林长春 130022）
铝薄膜的生长过程的计算机模拟
王翰林 赵鹏远
（长春理工大学，吉林长春 130022）
采用动力学蒙特卡洛方法（KMC）对AL薄膜的生长过程进行计算机模拟。运用计算机软件仿真在对基底温度为400K至1100K的不同基底温度下的铝薄膜的生长过程。仿真结果表明：基底温度对AL薄膜的形成与生长有着直接的关系，基底温度与成岛分子数量呈现先增加后减少的趋势，600K以下基本不会形成岛，当基底温度为900K时，岛所形成的形貌最为理想，缺陷率最低。
铝薄膜 薄膜生长 计算机模拟
近五十年来，铝已经成为世界上用途最广泛的金属之一。在建筑行业上，因为铝在空气中的阳极处理后的极佳外观和铝材料的稳定性而受到广泛应用；在航空航天及国防军工部门也广泛使用铝合金材料；在电力输送上则常用高强度钢线补强的铝缆；此外，汽车制造、家用电器、集装箱运输、机械设备、日常用品等领域都大量使用铝及铝合金。研究铝原子薄膜的蒸馏对实际生产生活有重要作用。
文黎巍［1］以铝薄膜的生长为例对蒙特卡洛方法和分子动力学方法进行了比较。宋鹏［2］对金属薄膜缺陷及生长模式进行了有限元分析。王易生［3］对薄膜沉积过程中成核生长机理进行了研究。
本实验采用蒙特卡洛方法，并采用meterials studio软件进行计算机模拟，对相同铝薄膜以不同基底温度进行加热。设置等梯度温度进行实验，找到成岛情况最好，缺陷率最小的优化温度。
1 实验过程
本计算模拟模型建立的是一个100X100粒子的二层基底，将基底分别在400K，500K，600K，700K，800K，900K，1000K，1100K的条件中加热。观察在不同温度下的成岛情况，并比较。
图2为沉积率为0.8ML/s，基底温度分别为400，500，600，700，800，900，1000，1100K时岛的形貌，其中紫色为铝原子。
基底温度较低时，薄膜上基本不形成岛，粒子散落在基底上，例如400，500，600K时。当温度上升至700K时，粒子开始聚集。该温度达到900K时，成岛粒子数目最多。当温度超过900K并逐渐升高时，粒子的总数逐渐下降。温度为1100K时，岛上的粒子总数大幅减少，缺陷率显著增加。本模拟结果与S.Veprek［4］和刘学杰［5］所得出的结论较为接近。（如图2）。
2 结论
1 ）基底温度为400K时，粒子散落在基底上，不能形成岛。其主要原因是基底温度较低，粒子无法获取迁移激活能。
2 ）基底温度为900K时，粒子所形成岛的面积最大，而且缺陷率较低。
············
图2
3 ）基底温度高于800K时，因为温度过高，薄膜内部的缺陷逐渐增大，直到无法形成岛。当基底温度过高时，在迁移的过程中会发生粒子被蒸发的现象。
［1］文黎巍，郭巧能，丁俊，文书堂，等.薄膜生长计算机模拟概论［J］.材料导报.2008（22）:217-223.
［2］宋鹏，陆建生，张丰顺，周洁，杨滨.金属薄膜缺陷及生长模式的有限元模拟［J］.材料科学与工艺，2007，15（6）:827-830.
［3］王易生.薄膜沉积过程中成核生长机理及调控的分子模拟研究［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2015:7-8.
［4］VEPREK S，ZHANG R F，VEPEREK-HEIJMAN M G J.Superhard Nanocomposites:Origin of Hardness Enhancement Properties and Application ［J］.Surf.
［5］刘学杰，洪超，姜永武，孙士阳.Ti—Si—N薄膜生长的计算机模拟［J］.表面技术，2013，42（3）:9-11.
本论文得到了吉林省自然科学基金（项目号20150101023JC）、吉林省教育厅科技创新项目，大学生创新创业训练计划项目（项目号2015S015， 2015S013）项目资金的支持。
