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《碳团簇与硅单晶表面重构的蒙特卡罗模拟探索.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第43卷增刊中山大学学报(自然科学版)Vol.43Suppl.2004年6月ACTASCIENTIARUMNATURALIUMUNIVERSITATISSUNYATSENIJun.2004碳团簇与硅单晶表面重构的蒙特卡罗模拟探索梁志均,黄臻成,王莉,邵元智,何振辉(中山大学光电材料与技术国家重点实验室∥物理科学与工程技术学院,广东广州5100275)摘要:利用基于经验势(Tersoff势)的蒙特卡罗方法研究碳团簇稳定结构和硅片(100)表面重构这两个物理过程。模拟结果是含有偶数个原子的小团簇是主要由六圆环平铺而成,像石墨片似的平面结构。而含有奇数个原子的小团簇,会在团簇
2、中心生成碳五圆环,团簇的会围绕五圆环卷曲。得到的结论是碳团簇的结构与团簇的幻数有关。模拟硅片表面重构的结果显示硅单晶表面有五种不同的重构模式,并且在不同的温度条件下,这几种重构模式所占的比重也不一样。低温时,硅单晶表面是以无重构的1×1二聚体为主。随温度升高,硅单晶表面出现2×1、c(2×2)、c(4×2)等重构模式。而在高温时,单晶硅(100)表面将出现的一种新的重构方式———吸附二聚体,它很可能是硅片的外沿生长、成核过程的关键。关键词:Tersoff势;蒙特卡罗法;碳团簇;幻数;硅单晶表面重构;吸附二聚体中图分类号:O561文献标识码:A文章编号:0529-6579
3、(2004)S1-0026-07随着半导体产业进入深亚微米的时代,集成的正确性,另一方面是为大规模的模拟计算积累经电路中一个三极管变得越来越细薄,最薄的只是由验。下一步工作,我们将尝试对退火扩散形成碳化硅片表面几个原子层构成的。所以,从原子的尺度硅单晶的过程做模拟。去分析各种表面工艺变得越来越重要。本文尝试从原子尺度对硅片(100)面的原子重构过程的模拟,因为此过程是各种半导体表面工艺基础。另外,本文还将对碳团簇稳定结构做模拟,为下一步模拟离子注入法合成碳化硅单晶而做[1-4]好准备,具体的项目流程如图1。对半导体表面工艺的理论分析主要有两个途径:部分研究者利用从头计算
4、方法计算硅片表面各[5-8]种重构模式的结合能;也有研究者利用经验势做模拟分析。蒙特卡罗(MC)模拟是一种从原子尺度模拟系统行为的一种有效的方法,比起从头计算方法和分子动力学(MD),MC可以模拟大系统在很长一段时间内行为,而且结果准确,计算速度[9,10]快,因此,本文采用Tersoff势,利用MC法模拟对碳团簇稳定结构和硅片(100)面的原子重构做蒙特卡罗模拟。图1模拟流程图1模拟的流程图Fig.1Flowchartofsimulaiton我们编写出基于tersoff势的MC算法程序,为2计算的势函数了证明蒙特卡罗程序的正确性,要对程序进行测试,以证明程序是正确和忠
5、于基本算法的。因此设单晶硅是共价键晶体,由于共价键的方向性和计实验的流程图,打算先进行一些小规模的模拟,饱和性,导致经典的二体势不能描述硅单晶的原子像计算碳团簇的稳定结构,一方面是为了证明程序相互作用,必须考虑多个配位原子的多体作用。本收稿日期:2004-04-12作者简介:梁志均(1981年生),男,本科生;通讯联系人:何振辉;E_mail:stshzh@zsu.edu.cn增刊梁志均等:碳团簇与硅单晶表面重构的蒙特卡罗模拟探索27文采用的Tersoff势就是通过拟合关于共价键饱和性(a)(b)的团簇中均由石墨结构的六原子环平铺而和多体作用的量子力学计算曲线而得到的半
6、经验成,而图2(c)(d)也是以六圆环为主,只是在[11-13]势。它的形式:团簇边缘的地方,会出现7个原子组成的环。六圆2Vij=fc(rij)[fR(rij)+bijfA(rij)](1)环中的碳原子是采用平面型的sp的杂化方式(键nn1角为120°),团簇的原子基本上都在同一平面;而bij=χij(1+βiiζiji)-(2)2ni边缘的七圆环由于比六环多一个原子,给平面结构ζij=∑fc(rik)g(θijk)(3)带来了不少的应力,因此在边缘的七环会稍微翘曲k≠i,j起来,也因为这些应力的作用导致七圆环的不稳定其中,Vij为i,j原子间成键的能量,它包含有描述
7、两性。体系吸引部分fA和描述两体系排斥部分fR,fc为一个光滑切断函数,它使两原子间的相互作用在距离较远时光滑地趋向于零,而函数bij被称为键序函数(bondorderfunction),它由同一原子的两个共价键的夹角(θijk)即体系中原子的三维空间结构决定,它反映共价键的方向性。另外,键序函数bij也反映共价键的饱和性:如果一个原子的配位数ξ越多,则每个键的键能就减弱,bij越小,而如果有效配位数越少,成键越强,bij越大。硅原子的Tersoff势的具体参数,由文献[12,13]给出。3模拟碳团簇的稳定结构3.1初始条件的设置图2偶数
