薄膜生长的理论模型与MonteCarlo模拟

薄膜生长的理论模型与MonteCarlo模拟华中科技大学电子系0208班H1小组计算材料学课程设计报告2005年5月分组情况•找资料论文:邹譞,魏文祥，吴杰•资料翻译:陈义琦,李莉•建模:吴杰,陈义琦,李莉,崔铮,林泽浩，黄萌.•编程:邹譞，黄萌,项梁,崔铮,朱英山.•会议,日志文字记录整理:李莉，朱英山.•论文撰写,演示文档制作:朱英山，陈义琦.课题项目薄膜生长的理论模型及其蒙特卡罗模拟薄膜广泛的应用前景－－光电技术、生物技术、能源技术特别是电子材料和集成电路技术上的要求研究现状1。实验技术－－超低温下扫描隧道显微镜观察2。计算机模拟－－通过对不同的模型的模拟以及不同参数的设置来了解不同工艺条件下的成膜过程以及各参数变化对成膜的影响。提高了试验效率，减小了试验成本和开发新材料的费用。理论模型理论模型碰撞－－源物质粒子离开源向靶沉积，气相原子沉积到表面并被表面吸附变成吸附原子迁移－－落到靶上的粒子在衬底上移动,寻找较稳定的结合点。理论模型成核－－源物质粒子互相结合,形成晶核蒸发－－热运动导致成核的粒子重返靶外空间成膜－－晶粒长大到互相连接成片二维三维MonteCarlo方法模拟成膜过程的可行性分析动力学方法弊端：需要在巨型计算机上追踪计算数以万计的粒子在各瞬时受的力、运动速度和轨迹。显然,这样做难度是很大的。MonteCarlo方法成膜过程是大量微观粒子在给定宏观条件约束下的集体行为，但是就每一粒子的运动而言其运动实际也是每一步都是随机的连续空间(continuumspace,CS)离散晶格(DiscreteLattice,ＤＬ)－－便于编程实现编程实现－－二维二维薄膜生长模拟中采用1000×1000的方形格子作为衬底，随机向衬底入射N个粒子每个粒子可运动W步。N－－决定于所需要成膜的厚度与面积W－－决定于入射粒子的能量，电场，磁场或者激光方法来控制编程实现－－二维•判断最近邻，次近邻•简化1－－衬底原子不动•简化2－－单位时间只跟踪一个粒子•简化3－－格点处是衬底点阵能量极小值编程实现－－二维次近邻优先级低最近邻优先级高次近邻优先级低最近邻优先级高核最近邻优先级高次近邻优先级低最近邻优先级高次近邻优先级低编程实现－－三维70×70×500立方体格子最近邻－－五个格点次近邻－－八个格点其余算法都是从二维推广到三维开始成核位置被占据？设定初始值初始化矩阵缩放坐标并移动坐标在衬底随机生成一个核随机生成运动粒子YesNo运动粒子的最近邻是否被占据?运动粒子的次近邻是否被占据?No在次近邻成核Yes在最近邻成核Yes判断是否到运动步数？NoNo由于能量减少到0，粒子在衬底上单独成核Yes运动二维程序运行模拟结果1•10万粒子运行1000步1万粒子运行1000步二维程序运行模拟结果210万粒子运行1万步1万粒子运行1万步二维程序运行模拟结果3•10万粒子运行10万步1万粒子运行10万步二维程序运行模拟结果4•10万粒子运行100万步1万粒子运行100万步二维程序运行模拟结论•随着运动步数的增加，薄膜生长图形的分形生长现象越明显，同样的粒子数，步数越多衬底上的成核数越少，分形枝越粗。这是由于我们的模型是设计到达运动步数后未成核的粒子耗尽能量固定下来。•增加步数，粒子在衬底上运动的几率增大，与其他粒子相接触而成核的几率也增大。•其次，随着分形枝的增长，粒子与伸长枝的接触几率也增大了三维程序运行模拟结果1•1000个粒子三维图像三维程序运行模拟结果2•10000个粒子三维图像三维程序运行模拟结果3•100000个粒子三维图像三维程序运行模拟结论•本模型假设温度较低忽略了粒子的填补下层空隙的运动结论一从上三个图可以看出下一层还未完全覆盖时，上一层就可以开始堆积了，可见，再粒子总层数不太多得情况下，薄膜的厚度是不大均匀的。三维程序运行模拟结论结论二粒子在衬底上成核数不同，膜的均匀性也不同。结论三岛密度大意味着岛的平均尺寸小,处在较小的岛上面的沉积原子比处于较大的岛上面的沉积原子更容易到达岛边界,提高了原子发生层间扩散的几率。结论•用计算机模拟研究了薄膜生长机理,给出了微观生长过程的详细图像。•运动步数越多（能量越大），则所成核越大（树形结构越明显）且成核数量越少。•粒子数越多，则所成核越明显。•这种按随机规律生成的多层粒子膜,其厚度方面的不均匀性是难免的。并且随着核的数量的增加薄膜的光滑均匀性越好。闪光点•从查找到的文献来看前人的工作多半集中在二维平面上，我们把它推广到了三维空间，更符合实际应用。•采用了矩阵判断位置是否被占用的方法。效果：计算效率有了量的增加，极大程度上地减少了运算所用的时间。•矩阵单独进行判断。效果：增强了可更改性，易于进行调试。•成核条件成熟直接跳出法，很大程度上提高了CPU的运算效率。致谢：•感谢江老师对我们的指导并给我们一个团结协作的机会！•感谢01级胡应波师兄在我们开始准备建模时给我们的宝贵意见!•感谢全组同学在一段时间以来为了共同的目标所作的努力以及所表现出来的团结协作的精神！谢谢！