貴金屬表面低能沉積的分子動力學(xué)模擬.pdf

1、本文針對薄膜生長中的低能沉積的動力學(xué)過程，采用分子動力學(xué)方法以六種貴金屬(Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au)原子為對象，系統(tǒng)的研究了低能沉積過程中的濺射行為和基體表面形貌的變化以及沉積外延島的生長演化等表面過程。 在低能沉積過程中，濺射行為主要取決于入射原子質(zhì)量(M1)和靶原子質(zhì)量(M2)，并存在兩種機制：入射原子反射機制(M1M2)；兩種濺射機制具有不同的濺射閾值，對于相同基體表面，M1

2、2時的濺射閾值比M1>M2時的小，相同濺射機制之間的濺射閾值卻相差不大。當(dāng)入射能量小于濺射閾值時，沒有濺射現(xiàn)象發(fā)生，入射原子的主要作用是沉積；當(dāng)入射能量大于濺射閾值時，濺射產(chǎn)額隨入射能量的增加呈線性增加趨勢。不同的濺射機制下，入射原子和基體的參數(shù)對濺射產(chǎn)額的影響有一定差異，因此，兩種濺射機制對應(yīng)兩個基于約化能量的濺射產(chǎn)額公式，并且二者在M1=M2是自恰的；通過與模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)，該公式比Sigmund解析公式和基于Sigmu

3、nd解析理論的修正公式能更好地描述低能濺射行為。 不同的濺射機制導(dǎo)致濺射原子的空間分布有一定的差異，在反射機制主導(dǎo)濺射行為時，M1M2，原子在相互碰撞的過程中較難發(fā)生大角度的散射，因此導(dǎo)致濺射原子的發(fā)射角比反射機制作用下的小，其分布范圍的半徑也更小一些。在能量低于200

4、eV時，所有被濺射原子的能量主要分布在20eV以內(nèi)，濺射原子的最大概率對應(yīng)的能量值都小于10eV。根據(jù)低能濺射的反射機制，當(dāng)M1≤M2時，隨著質(zhì)量比M1/M2的減小和Eb的增加，晶格在彈性形變過程中被破壞的可能性變小，表面原子在被濺射出去時可能獲得較大的能量，此時，能量分布均向高能區(qū)域發(fā)散；M1≥M2時，主導(dǎo)低能濺射的反沖原子很難產(chǎn)生能量較大的濺射原子，此時被濺射原子的能量更多地集中分布在低能區(qū)域。 低能沉積對表面形貌的影響隨入

5、射能量的變化而有所不同。其中表面吸附原子產(chǎn)額隨入射原子能量的增加而增大。隨著入射能量從濺射閾值附近增大到200eV，入射原子在表層的作用和對表面的影響有一個轉(zhuǎn)變能量(ET)，對于不同的貴金屬基體表面，這個分界能量并不完全相同。當(dāng)入射原子質(zhì)量小于基體原子質(zhì)量時，在所研究的能量范圍內(nèi)，基體表面原子均是按層遷移的，此時ET≈2Eth。在入射能量小于轉(zhuǎn)變能量時，入射原子的注入深度小于兩個原子層，即為亞注入；當(dāng)入射能量高于轉(zhuǎn)變能量時，入射原子的注

6、入深度開始大于兩個原子層。亞注入時，表面以下第三層不會有空位產(chǎn)生，此時入射原子的主要作用是產(chǎn)生表面吸附原子，對基體材料不會產(chǎn)生破壞，因此有利于薄膜的成核和致密化；而當(dāng)入射原子的注入深度超過表面第二層的時，將會使表面以下第三層產(chǎn)生空位，并且空位產(chǎn)額隨入射能量的升高而急劇增加，因此會破壞基體材料，導(dǎo)致薄膜缺陷的產(chǎn)生。表面吸附原子的分布花樣呈3度旋轉(zhuǎn)對稱性質(zhì)；當(dāng)M1/M2>1時，表面吸附原子的分布范圍明顯比M1/M2<1時小。 在異質(zhì)

7、外延生長研究方面，針對傳統(tǒng)的晶格失配理論不能完全解釋現(xiàn)有實驗結(jié)果的這一問題，我們分別對比研究了Au/Cu(001)、Cu/Au(001)和Ag/Cu(111)、Au/Cu(111)兩組體系的異質(zhì)外延島演化過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Au/Cu(001)和Cu/Au(001)體系的異質(zhì)外延生長是非對稱性的，導(dǎo)致非對稱外延生長的根本原因是外延島的應(yīng)變狀態(tài)的差異和外延島自身性質(zhì)的不同。通過對比Au/Cu(111)體系的異質(zhì)外延生長，我們發(fā)現(xiàn)，外延島原子與

8、基體表面原子之間的界面結(jié)合強度是形成Ag/Cu(111)體系中Moiré結(jié)構(gòu)的重要因素，異質(zhì)外延體系的界面結(jié)合強度取決于二者的合金熔解熱；由于Ag-Cu具有正的合金熔解熱，使得Ag/Cu(111)異質(zhì)外延體系界面結(jié)合強度較弱，有利于Moiré結(jié)構(gòu)的形成。外延島的面內(nèi)弛豫行為與外延層和基體之間的相對剛度有關(guān)，彈性模量較大的外延層具有較強的延展能力，對Moiré結(jié)構(gòu)的形成有利；外延島邊界原子的定扎作用對外延島內(nèi)原子弛豫行為有一定的約束作用，