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Title:
纳米薄膜生长界面演化的分子动力学模拟
Alternative Title: Molecular dynamics simulation of the evolution of nanofilm growth interface
Author: 郑宜涛
Abstract: 薄膜气相沉积作为制备各类功能薄膜的常用方法涉及从气相到固相的超急冷过程,而此过程通常发生在具有复杂几何形貌和演化规律的生长界面上。生长界面的形貌决定薄膜的局部生长取向,而其复杂的动态演化则是引起薄膜生长不稳定性和导致薄膜微观缺陷的主要原因之一。为了实现纳米功能薄膜的可控生长与稳定制备,本文从微观角度通过分子动力学模拟的方法,系统研究了薄膜生长界面动态演化的主要影响因素及其影响规律。 首先,建立了薄膜沉积生长的分子动力学模型,对纳米薄膜生长界面的动态演化过程进行了数值模拟,获取了沉积速率、入射能量等对薄膜表面特性的影响规律,明晰其与生长温度共同主导薄膜生长模式的物理机制。 随后,本文分析了沉积原子与衬底原子间界面结合能对薄膜生长界面演化的影响,揭示了生长界面演化中界面结合能和沉积原子间结合能的竞争关系及其对界面演化趋势的影响。此外,还发现了在不同条件下高衬底温度对界面演化以及生长模式的转换具有完全不同的作用;在界面结合能强于沉积原子间结合能时,高衬底温度可为沉积原子提供更大的动能去克服ES势垒,寻求势能更低且距离衬底更近吸附位,此过程伴随着薄膜的生长模式从岛状生长向层状生长转换;而在界面结合能较弱于沉积原子间结合能时,沉积原子聚集成岛状团簇时具有更低的势能,此条件下高温可协助沉积原子完成表面扩散,形成岛状团簇,并促进薄膜的生长模式向岛状生长转换。上述物理图景诠释了衬底温度对薄膜生长过程中原子空间结构的调控机制,据此确定了由衬底温度来调控薄膜生长模式的基本原则。 最后,本文研究了沉积原子在动态生长界面上的动力学特性,发现了多元薄膜生长界面上吸附脱附行为对沉积速率比的依赖性,揭示了多元薄膜生长界面演化与沉积原子吸附脱附行为的相关性。通过分子动力学模拟系统研究了多种原子混合共沉积过程,探索了衬底温度、沉积速率比(沉积界面组分)对薄膜生长界面演化以及各类原子吸脱附行为的影响。发现界面结合能较弱的沉积原子其吸附系数对温度非常敏感;而界面结合能较大的沉积原子其吸附系数与温度相关性较弱,甚至在一定温度范围内与温度不相关。此外,还发现各类原子的沉积速率比对沉积原子的吸附系数有明显的影响,并获得了不同温度下吸附系数对沉积速率比的依赖关系,并由以上规律揭示了热态沉积时吸附系数随沉积界面组分动态变化的物理本质,提出多因素交互作用下多元纳米薄膜沉积生长的优化条件。 综上,本文通过研究纳米薄膜沉积生长界面的演化规律,揭示了复杂条件下纳尺度薄膜生长中的新规律和新现象以及背后所隐含的物理机制,并成功将其用于指导功能纳米薄膜制备的工程实践中。
Degree Level: 硕士
Issued Date: 2017
Degree Grantor: 中国科学院大学
Place of Degree Grantor: 北京
Supervisor: 刘崇
Major: 流体力学
Language: 中文
Other responsible: 中国科学院力学研究所
Call Number: 2017-055
Content Type: 学位论文
URI: http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60434
Appears in Collections:高温气体动力学国家重点实验室_学位论文

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郑宜涛. 纳米薄膜生长界面演化的分子动力学模拟[D]. 北京. 中国科学院大学. 2017-01-01.
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