薄膜沉積過程中成核生長機(jī)理及調(diào)控的分子模擬研究.pdf

1、近年來，納米技術(shù)發(fā)展迅速，在諸多領(lǐng)域都得到了大量應(yīng)用。而納米技術(shù)在光電子、新能源以及催化劑材料等方面的研究，更展現(xiàn)出無限前景。如今納米技術(shù)已經(jīng)被諸多行業(yè)視為一項(xiàng)源頭技術(shù)，正受到到越來越多的行業(yè)的青睞。在納米材料的研究中，薄膜材料的地位一直舉足輕重。因?yàn)楸∧げ牧嫌兄喾N優(yōu)異性能，例如優(yōu)異的光學(xué)性能、耐腐蝕性還有耐磨性能等等。不僅如此，物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等靈活多樣的制取方法也使得薄膜材料有著廣泛的追捧者，因而也越來越需要可控的制備出

2、滿足特殊需求的納米材料和納米結(jié)構(gòu)。
　　要實(shí)現(xiàn)薄膜材料和結(jié)構(gòu)的可控制備，就需要研究原子沉積、擴(kuò)散、吸附、成核以及薄膜生長等過程，探索形核機(jī)理以及材料生長模式。而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)觀測手段很難對(duì)其分子層面的空間尺度和飛秒量級(jí)的時(shí)間尺度進(jìn)行研究，因此我們采用分子模擬方法來對(duì)微觀成核聚集過程進(jìn)行研究，探索成核生長的機(jī)理和規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)材料的可控制備奠定理論基礎(chǔ)，同時(shí)可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)，提高實(shí)驗(yàn)效率，減少實(shí)驗(yàn)的盲目性。
　　本課題的研究主要有

3、兩部分，第一部分是沉積過程中氣相原子的成核過程和成核機(jī)理研究，而第二部分研究影響原子在基體上形成薄膜的形貌及生長方式的因素，以期通過結(jié)合這兩方面的研究來為薄膜生長的可控制備提供理論依據(jù)。
　　我們采用分子模擬的方法研究了Ag原子成核的過程，發(fā)現(xiàn)在Ag納米團(tuán)簇形成的過程中，主導(dǎo)成核聚集過程的方式是團(tuán)簇和團(tuán)簇之間的聚集。經(jīng)典成核理論以及現(xiàn)有的其它研究假設(shè)都認(rèn)為成核的方式是單原子逐個(gè)結(jié)合的過程，而我們的模擬結(jié)果表明成核初始時(shí)最容易形成二

4、聚體和三聚體等小團(tuán)簇，隨著時(shí)間的增加，更多的是小團(tuán)簇之間發(fā)生聚集形成更大的團(tuán)簇，而不是一個(gè)一個(gè)原子逐漸聚集的過程。團(tuán)簇和團(tuán)簇之間的相互作用，如團(tuán)簇聚集、團(tuán)簇分解等方式主導(dǎo)著成核進(jìn)程，同時(shí)，我們得到的團(tuán)簇尺寸分布隨時(shí)間的演化結(jié)果也說明了這一成核主導(dǎo)方式。
　　模擬結(jié)果還表明決定晶胚能否繼續(xù)長大的因素是晶胚自身的結(jié)構(gòu)。經(jīng)典成核理論認(rèn)為，晶胚能否長大取決于其自身尺寸是否超過臨界半徑，而我們的結(jié)果表明在成核聚集過程中，一些納米團(tuán)簇會(huì)形成穩(wěn)

5、定的晶體結(jié)構(gòu)(不活躍團(tuán)簇)，這樣的團(tuán)簇不容易再發(fā)生聚集長大，而那些非晶的團(tuán)簇(活躍團(tuán)簇)很容易繼續(xù)發(fā)生聚集而成核長大。因此，決定晶胚能否繼續(xù)長大的并不是團(tuán)簇的尺寸是否超過臨界半徑，而是由晶胚的結(jié)構(gòu)是否形成活躍性團(tuán)簇所決定，這一點(diǎn)也和經(jīng)典成核理論的描述不同。其中活躍團(tuán)簇是晶胚繼續(xù)長大的主動(dòng)支配者，而穩(wěn)定團(tuán)簇只是參與者。
　　針對(duì)沉積過程中薄膜形貌及生長方式調(diào)控的研究結(jié)果表明，擴(kuò)散速率對(duì)于薄膜生長方式和形貌有著較大影響。擴(kuò)散速率小時(shí)主