动力学蒙特卡洛（KMC）模拟薄膜生长.pdf

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1、第41卷第3期人工晶体学报Vo1．41No．32012年6月JOURNALOFSYNTHETICCRYSTALSJune，2012动力学蒙特卡洛(KMC)模拟薄膜生长周雪飞，吴冲，唐朝云，孔垂岗，邱贝贝，杨云，卢贵武(中国石油大学(北京)理学院，北京102249)摘要：本文以扩散理论为基础，利用KMC模拟方法，考察了温度对薄膜生长速率和表面形貌的影响以及生长表面的粗糙化相变过程。模拟表明，温度升高有利于提高薄膜生长速率，薄膜生长以“成核．岛数增长．岛的长大融合”的方式进行。模拟发现薄膜生长初期存在粗糙化相变过程，当温度低于相变温度时，薄膜分层生长，生长

2、速率较慢；当温度高于相变温度时，薄膜表面粗糙度骤然升高，生长速率加快。关键词：动力学蒙特卡罗；计算机模拟；微观生长机制；相变温度中图分类号：0484文献标识码：A文章编号：1000-985X(2012)03-0792-06KineticMonteCarlo(KMC)SimulationofThinFilmGrowthZHOUXue-fei，删Chong，TANGChao-yun，KONGChui-g0愕，QIUBei-bei，YANGYun，LUGui—WU(CollegeofScience，ChinaUniversityofPetroleun(Bei

3、jing)，Beijing102249，China)(Received14November2011)Abstract：Theefectoftemperatureonthinfilmgrowthspeed，surfaceappearanceandtheroughnesstransformationprocesswerestudiedbyKineticMonteCarlosimulationmethodbasedonsurfacediffusiontheory．Thesimulationindicatedtemperatureincreasingadvan

4、tageousinthinfilmgrowth．Thethinfilmgrowthcallberegardedas”coring-islandnumberincreasing—islandscoalesce”progress．Itwasfoundthatthereisaroughnesstransformationprocessintheinitialperiodoffilmgrowth．Whenthetemperatureislowerthanthetransformationtemperature，thethinfilmgrowswithawayo

5、flayer—by—layerandthegrowthspeedisslow．Whenthetemperatureishigherthanthetransformationtemperature，thethinfilmsurfaceroughnessincreasedobviously，andthegrowthspeedsenhanced．Keywords：KineticMonteCarlo；computersimulation；microscopicgrowthmechanism；transformationtemperature引言薄膜几乎应用在现

6、代工业的每一个分支中。虽然生产高品质的薄膜现在并不困难，但是我们对它们的生长机制的了解仍然不足。蒙特卡罗计算机模拟方法已普遍应用于薄膜生长机制研究，使理论，实验和计算机模拟的合作成为可能，也使更好地了解薄膜生长的基本机制成为可能。计算机模拟通常用来验证理论方法或帮助指导实验，反过来，新的实验结果或理论进步也有利于改进理论模型。计算机模拟可以提供有关在收稿日期：2011．11．14基金项目：国家自然科学基金(11175257)资助项目作者简介：周雪飞(1983一)，男，辽宁省人，硕士研究生。E-mail：kavea@yeah．net通讯作者：卢贵武，教授

7、，博士生导师。E-mail：lugw@cup．edu．cn794人工晶体学报第41卷3模拟过程和主要模型考虑到现代工业上制备薄膜主要采用气相沉积方法，而脱附过程并不起主导作用，本文的模拟研究主要包含沉积和扩散两过程，并采用SOS约束(即固体一固体约束)。3．1沉积过程本模拟先设置64×64个单元格，在每一个单元格上放置一个与沉积原子不发生化学反应的基底原子构成基底层(即衬底)，允许沉积原子自由垂直地沉积在基底表面上，设定沉积速率为0．001。3．2扩散过程扩散过程中，扩散速率r。由方程(1)确定[rD=Doexp(一)AElrD=Doexp(一)△>0

8、一其中D。是尝试频率，K是Boltzman常数，是热力学温度，Q是反应热，AE是原子扩散引起的