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入射粒子能量对沉积铝膜形状影响的二维截面模拟 电子科学与技术专业 指导老师：胡明教授 【摘要】：【关键词】：【ABSTRACT】：【KEY WORDS】：Molecular Dynamics）法 分子动力学假定原子的运动是由牛顿运动方程决定的。假定绝热近似严格成立时，原子的运动有特定的轨道，其量子效应可以忽略。经典的MD模型根据单个原子与周围原子受到的作用力，计算每个原子的牛顿力学运动轨迹，从而计算原子运动的位置与坐标，又称为计算机模拟经典轨线法。 用，分别表示体系中N个粒子的坐标、速度，对于第i个原子的坐标、速度为，所受的作用力为；为原子作用势能（对于原子作用势能一般采用Lennard－Jones potential：，在运用时一般认为当原子之间的距离大于一定值时，其相互作用势能为0，则Lennard－Jones potential表达式可改写为：。 那么，其在t时刻的速度与位移（坐标）就可表示为：，对于和的数值积分，常用的方法采用Verlet算法。问题的关键在于原子与原子之间的作用势函数与参数的确定以及算法实现。 由于要处理大量动态的原子计算，对计算机与算法的性能要求较高。目前许多MD模型还是基于经验与半经验作用势，用于模拟小范围（1~50nm）原子团簇的生长。 模型 模型是采用分子动力学方法描述的铝膜在带沟槽的硅衬底上的二维生长。 衬底描述： 本次实验采用的带有沟槽的基体。所用的基底是带有沟槽的衬底，左右平台处各为 39个和 40个原子尺寸长，沟槽深度（侧墙）和宽度（底部）各为 7个和21 个原子尺寸长度。预先淀积 1层均匀密排的铝原子，它们保持恒定均匀的温度，在以后的沉积过程中，它们的位置固定不变。由于溅射原子能量较大，当沉积到基底上时，会失去竖直方向上的动能，将垂直动能传给基板，从而引起基板温度略有上升本模型中忽略此影响。（如下图） 图0 入射粒子描述： 本实验为了简化模型，只考虑垂直入射的情况。 周期性边界条件： 由于采用的衬底规模有限，必须采用周期性边界条件。即原子左出右进，右出左进，使衬底近似符合实际情况。在竖直方向上，上方无边界。下方有衬底限制。 模拟过程 首先随机产生一些随机点作为入射粒子，本模型采用逐个产生然后投射，然后产生再投射的过程。粒子竖直入射后入射到表面，如果直接碰到缺陷，则粒子在缺陷上方停住。如果没有碰到缺陷，则考虑左右移动，如果左右有基体粒子或已镀的粒子，则入射粒子停止移动，如果没有，则粒子左右移动，左右移动的概率均为0.5.同时考虑左右移动时，如果移动一次下面没有粒子，则入射粒子会一直往下掉，直到碰到粒子为止，接下来分析过程同上。当遇到左右边界时，我们假定粒子左进右出，右进左出。入射粒子停止的条件为正下方有缺陷，左右有粒子或运动的能量耗尽为止。我们通过设定不同的步长来表示入射粒子的不同能量。 实验结果及分析 我们通过设定不同的步长，得到如下结果： 步长=1 图1 步长=5 图2 步长=30 图3 六、结论 1.竖直入射时，入射原子的能量较低时，容易出现尖楔状生长，产生较多的间隙，生长质量不高，随着能量的提高，薄膜越来越致密，空洞越来越少。当能量很高时，原子有足够的能量进入下一层的空隙，填充能力变得很强，这时对于沟槽的填充效果达到最好，间歇最小。 2.在一定范围内，随着入射粒子能量的增加，膜表面越来越光滑平整。 （原程序请看附件） 参考文献 [1] 施大新流化床CVD淀积过程中铝膜微结构及表面形貌的研究刘书琴中国科学院化工冶金研究所 [2] 陈海力, 沈鸿烈, 张磊铝膜沉积温度对铝诱导多晶硅薄膜性能的影响[3] 杨邦朝，王文生。薄膜物理与技术。电子科技大学出版社，2006,144~165 课程设计课程体会及总结 经过小组成员的共同努力，终于成功完成了入射粒子能量对沉积铝膜形状影响的二维截面模拟实验。刚刚开始接触这个题目时我们感到相当没有头绪，一点思路都没有，薄膜的知识学了很长时间了，基本上忘得差不多了，matlab也只是学的最基本的知识。然而当我们真正沉下心来仔细考虑的时候，我们发现问题并没有我们想象的那么难，我们从学长那里了解了实验的基本思想及思路。然后，我们进行了分工，我们组个人感觉，本实验最难的部分还是matlab编程，这一块经过我们组三人的努力，终于大功告成。 同时，在整个实验过程中，我们学会了怎样查找资料，利用参考资料建立自己的模型，加强了对编程语言的熟悉和运用，更重要的是，真正理解和掌握了薄膜生长的相关知识。整个课程设计把所学知识和动手能力结合起来，使大家得到真正的锻炼。同时，我们组学会了协作的重要性，体验到了自己做出成果的乐