薄膜晶體缺陷形成與控制的分子動力學模擬研究.pdf

1、薄膜晶體缺陷主要形成于原子沉積生長過程之中，而現(xiàn)有實驗分析手段的空間和時間分辨能力都無法勝任對原子尺度微觀過程的研究。我們以面心立方金屬為對象、采用三維分子動力學方法對幾種薄膜缺陷形成的原子機理與控制方法進行了原子模擬研究。原子間相互作用力采用EAM多體勢函數(shù)計算。研究內(nèi)容包括：外延薄膜沉積生長的分子動力學模型、模擬方法與相應(yīng)程序的建立及對原子沉積過程的基本研究；〈111〉外延生長薄膜中失配位錯、孿晶與一種應(yīng)力致生長織構(gòu)的結(jié)構(gòu)、形成機制

2、及可能的控制方法；在納米晶柱陣列襯底上外延生長高質(zhì)量、易剝離薄膜晶體的可能性。研究發(fā)現(xiàn)： (1)保持表面原子級平整可使薄膜在超過臨界厚度數(shù)十倍的情況下仍不形成失配位錯。但這種結(jié)構(gòu)對微擾十分敏感，表面僅單原子層厚的微小凹凸或高溫下的熱擾動都能使失配位錯迅速形成。 (2)負失配條件下，失配位錯成核于一種發(fā)生在薄膜表層的類似于“局部熔融－重結(jié)晶”的過程，它起自薄膜內(nèi)部壓應(yīng)力與表面臺階共同作用下被擠出的一個倒四面體構(gòu)型的原子團。

3、其結(jié)構(gòu)為伯格斯矢量與失配方向一致的、滑移面與生長面平行的全刃位錯，個別情況下也會呈現(xiàn)為由兩個部分位錯夾著一片層錯組成的Shockley擴展位錯。 (3)正失配條件下，失配位錯的結(jié)構(gòu)與成核機制出現(xiàn)兩類情況。當失配度fx≥0.05時，位錯結(jié)構(gòu)與成核機制與負失配條件下類似，不同之處是局部熔融源自與表面相交的滑移臺階；當fx≤0.04時，失配位錯直接形成于由表面向內(nèi)部推進的局部滑移。其伯格斯矢量與失配方向成60°夾角。該位錯形成后迅速從

4、薄膜表層沿其滑移系向薄膜與襯底間界面滑移。 (4)在適當幾何條件下，采用納米晶柱陣列襯底可以在不形成失配位錯的情況下釋放外延薄膜中的失配應(yīng)變，有效地抑制失配位錯的形成，獲得高質(zhì)量、易剝離外延薄膜。 (5)在〈111〉生長中，表面沉積原子在入射碰撞和熱運動遷移過程中隨機占據(jù)正常位置(FCC位置)或錯排位置(HCP位置)，并形成FCC疇或HCP疇，二者的形成和長大相互競爭，后者得以競爭勝出而占據(jù)整個表面時即形成一個{111}

5、孿晶界面。增原子錯排能，即表面沉積原子處于HCP錯排位置的能量相對于處于FCC正常位置時的增量，決定薄膜中是否能夠出現(xiàn)〈111〉生長孿晶。一個孿晶界面形成后，其上繼續(xù)生長的薄膜表面的增原子錯排能與該孿晶界面深度有很強關(guān)聯(lián)。對這種關(guān)聯(lián)的分析結(jié)果揭示了一些孿晶幾何特征的形成原因。 (6)在薄膜平面內(nèi)各向同性的等軸雙向應(yīng)變作用下，呈〈111〉絲織構(gòu)的銅、鋁納米多晶薄膜中不同晶粒之間仍然能夠產(chǎn)生應(yīng)變能差異，使能量較低的晶粒在沉積生長過程