Молекулярно-динамическое исследование формирования наноструктур на поверхности подложки при осаждении паров металла из газовой фазы

• Автор: Игошкин, Антон Михайлович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 171 с. : ил.

Содержание
Введение
1. Методология молекулярно-динамического подхода при моделировании осаиздения нанослоев из газовой фазы
1.1 Физико-математическая модель осаждения атомов металла на металлическую подложку
1.2 Потенциал взаимодействия
1.3 Моделирование граничных условий
1.4 Моделирование начальных условий атомов газовой фазы
1.5 Моделирование изотермических процессов
1.6 Моделирование процессов при постоянных значениях компонент тензора напряжений
1.7 Численная схема для расчета траекторий
1.8 Формирование начального состояния подложки
2. Формирование тонких пленок меди на медных подложках
2.1 Численное исследование рассеяния атомов металла на металлической подложке
2.2 Влияние температуры на процесс формирования тонких пленок
2.3 Влияние дефектов подложки на формирование поверхностных структур
3. Формирование серебряных нанопленок на медных подложках
3.1 Статические исследование границ раздела гетероструктур А§/Си(111)
3.2 Влияние температуры подложки на формирование структур А^Си(111)
Основные результаты и выводы
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Объект исследования и актуальность темы
Среди всего многообразия технологических задач, решаемых на данный момент, одной из важнейших является формирование нанопленок с заранее заданными свойствами. В настоящее время существует множество технологических подходов для ее осуществления [1,2]. И, несмотря на значительный прогресс, достигнутый за последние десятилетия в данной сфере, в ряде приложений проблема формирования пленок и покрытий по-прежнему стоит достаточно остро. Это обусловливает существование большого числа как теоретических, так и экспериментальных исследований в данной области. И, несмотря на ресурсы, вкладываемые в эти задачи, в настоящее время изучение совокупности механизмов, ответственных за формирование наблюдаемых структур тонких пленок, еще далеко не завершено. В значительной мере такое положение дел обусловлено временной и пространственной масштабной многогранностью данной проблемы. Так на динамику осаждения влияют как процессы, происходящие на атомарном уровне, такие как образование поверхностных фаз, так и вполне макромасштабные, как например динамика газовых потоков газообразных веществ в СТ) реакторе. Поэтому решать такие задачи в рамках одного метода не представляется возможным, по крайней мере, на данном этапе развития науки. То, что характерные размеры (от Ю'10м до 10' 6м) и времена (от 10'13с до 103с) физических процессов, лежащих в основе самоорганизации нанопленок, имеют очень широкий диапазон, обусловливает необходимость использования многоуровневого подхода. На данный момент единого решения для построения такого подхода не существует. Однако ряд отдельных задач данной сферы допускают корректные решения в рамках одноуровневых методик. В частности для выявления атомарных механизмов формирования тонких пленок необходимы методы исследования динамических процессов на атомном масштабном

уровне такие, как метод молекулярной динамики, метод Монте-Карло, а также прямые квантовые расчеты. Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки, определяющие его пространственную и временную область применения.
В частности квантовые расчеты, например метод функционала плотности, позволяют весьма точно рассчитать энергию различных атомарных конфигураций системы. Но при этом данный подход чрезвычайно ресурсоемкий, что не дает возможности использовать его при описании динамических процессов в структурах с необходимым для задачи числом атомов даже при использовании многопроцессорных вычислительных систем. Поэтому область применения квантовых подходов, как правило, ограничивается статическими расчетами. В частности данный метод оказываются необходимыми при вычислении констант для потенциалов, используемых затем в методе молекулярной динамики, а также потенциальных барьеров, определяющих вероятности в методе Монте-Карло.
Метод прямого статистического моделирования прекрасно работает при моделировании формирования нанопленок. При этом он требует знания вероятностей всех переходов при движении атомов по поверхности, а также выполнения условия стационарности. Важно заметить, что далеко не все процессы на поверхности можно описать в стационарном приближении. Вероятности получают экспериментально, с помощью квантовых расчетов или метода молекулярной динамики. И по мере усложнения потенциального рельефа подложки, задача промоделировать такую систему очень сильно затрудняется. Поэтому для исследования формирования гетероструктур с толщиной осажденной пленки больше одного монослоя метод Монте-Карло в своем классическом виде малопригоден.
Метод молекулярной динамики описывает атомы как частицы, движущиеся по законам Ньютона, но при этом используются силы, полученные с помощью приближенных квантово-механических подходов. Метод позволяет, интегрируя траектории частиц, осуществлять

1.5 Моделирование изотермических процессов
Теперь рассмотрим моделирование изотермических процессов посредством наложения на систему взаимодействующих атомов внешних сил. Необходимость поддержания постоянной температуры в задачах формирования нанослоев из газовой фазы обусловлена тем, что при осаждении атомов на поверхность выделяется энергия, которая приводит к неконтролируемому нагреву структуры и, как следствие, к изменению ее свойств. В эксперименте лишняя энергия отводится из околоповерхностной области в объемы подложки и платформы, на которой она закреплена. В совокупности их теплоемкости достаточно велики для того, чтобы они успешно исполняли роль термостата. В молекулярной динамике толщина подложки сопоставима с толщиной пленки, формируемой на ней, и, поэтому, возникает проблема моделирования теплового резервуара, который бы компенсировал внешний поток энергии с поверхности.
Для реализации изотермического процесса необходимо выписать молекулярно-динамического понятие температуры, согласованное со своим аналогом из статистической физики. Данный шаг требуется для конкретизации понятия «изотермический процесс», который используется в рамках данной модели. В статистической физике температура вводится при рассмотрении канонического ансамбля Гиббса. Этот ансамбль состояний возникает, когда рассматриваемая система приходит в равновесие с тепловым резервуаром, имеющим многократно больший, чем она, фазовый объем. При этом изначально полагается, что функция Гамильтона атомарной подсистемы имеет следующий вид:
Н(р,д) = '£р°2/2та+Щд'...Г), (1-5.1)

где р и <7 - совокупность обобщенных импульсов и координат подсистемы. При этом полагается, что энергия границы раздела рассматриваемой системы и термостата много меньше его внутренней энергии. Тогда в собственном