鋁薄膜的生長過程的計算機模擬

王翰林 趙鵬遠（長春理工大學，吉林長春 130022）

鋁薄膜的生長過程的計算機模擬

王翰林 趙鵬遠
（長春理工大學，吉林長春 130022）

采用動力學蒙特卡洛方法（KMC）對AL薄膜的生長過程進行計算機模擬。運用計算機軟件仿真在對基底溫度為400K至1100K的不同基底溫度下的鋁薄膜的生長過程。仿真結果表明：基底溫度對AL薄膜的形成與生長有著直接的關系，基底溫度與成島分子數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，600K以下基本不會形成島，當基底溫度為900K時，島所形成的形貌最為理想，缺陷率最低。

鋁薄膜 薄膜生長 計算機模擬

近五十年來，鋁已經(jīng)成為世界上用途最廣泛的金屬之一。在建筑行業(yè)上，因為鋁在空氣中的陽極處理后的極佳外觀和鋁材料的穩(wěn)定性而受到廣泛應用；在航空航天及國防軍工部門也廣泛使用鋁合金材料；在電力輸送上則常用高強度鋼線補強的鋁纜；此外，汽車制造、家用電器、集裝箱運輸、機械設備、日常用品等領域都大量使用鋁及鋁合金。研究鋁原子薄膜的蒸餾對實際生產生活有重要作用。

文黎巍［1］以鋁薄膜的生長為例對蒙特卡洛方法和分子動力學方法進行了比較。宋鵬［2］對金屬薄膜缺陷及生長模式進行了有限元分析。王易生［3］對薄膜沉積過程中成核生長機理進行了研究。

本實驗采用蒙特卡洛方法，并采用meterials studio軟件進行計算機模擬，對相同鋁薄膜以不同基底溫度進行加熱。設置等梯度溫度進行實驗，找到成島情況最好，缺陷率最小的優(yōu)化溫度。

1 實驗過程

本計算模擬模型建立的是一個100X100粒子的二層基底，將基底分別在400K，500K，600K，700K，800K，900K，1000K，1100K的條件中加熱。觀察在不同溫度下的成島情況，并比較。

圖2為沉積率為0.8ML/s，基底溫度分別為400，500，600，700，800，900，1000，1100K時島的形貌，其中紫色為鋁原子。

基底溫度較低時，薄膜上基本不形成島，粒子散落在基底上，例如400，500，600K時。當溫度上升至700K時，粒子開始聚集。該溫度達到900K時，成島粒子數(shù)目最多。當溫度超過900K并逐漸升高時，粒子的總數(shù)逐漸下降。溫度為1100K時，島上的粒子總數(shù)大幅減少，缺陷率顯著增加。本模擬結果與S.Veprek［4］和劉學杰［5］所得出的結論較為接近。（如圖2）。

2 結論

1 ）基底溫度為400K時，粒子散落在基底上，不能形成島。其主要原因是基底溫度較低，粒子無法獲取遷移激活能。

2 ）基底溫度為900K時，粒子所形成島的面積最大，而且缺陷率較低。

············

圖2

3 ）基底溫度高于800K時，因為溫度過高，薄膜內部的缺陷逐漸增大，直到無法形成島。當基底溫度過高時，在遷移的過程中會發(fā)生粒子被蒸發(fā)的現(xiàn)象。

［1］文黎巍，郭巧能，丁俊，文書堂，等.薄膜生長計算機模擬概論［J］.材料導報.2008（22）:217-223.

［2］宋鵬，陸建生，張豐順，周潔，楊濱.金屬薄膜缺陷及生長模式的有限元模擬［J］.材料科學與工藝，2007，15（6）:827-830.

［3］王易生.薄膜沉積過程中成核生長機理及調控的分子模擬研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，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］劉學杰，洪超，姜永武，孫士陽.Ti—Si—N薄膜生長的計算機模擬［J］.表面技術，2013，42（3）:9-11.

本論文得到了吉林省自然科學基金（項目號20150101023JC）、吉林省教育廳科技創(chuàng)新項目，大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目號2015S015， 2015S013）項目資金的支持。