沉積原子動能對失配位錯成核時原子團擠出的影響

摘 要：本文運用分子動力學模擬方法，研究了在外延鋁簿膜中單個入射原子動能對失配位錯成核時原子團擠出的影響。模擬結果顯示：當沉積原子動能為0.14eV時，在原子動能和原子壓力的共同作用下，倒正四面體構型原子團在緊挨著沉積原子邊緣被擠出；當沉積原子動能大于1.4eV時，在原子動能的影響下，倒正四面體構型原子團能被擠出。位錯形核后，失配位錯也隨之形成。

關鍵詞：沉積原子；動能；失配位錯；分子動力學

0 引言

在動力學條件對失配位錯形成影響的研究中，Kang[1]、周耐根[2]和潘華清[3]等模擬研究了沉積原子入射動能方面對薄膜生長的影響，他們發現隨入射動能的增加，增原子的表面擴散能力增大，導致薄膜內部缺陷密度下降，結構趨于完整。這些研究工作，使人們關于沉積原子入射動能對薄膜結構和薄膜中位錯形成影響的認識有所提高。為了更詳細地了解沉積原子入射動能對薄膜中失配位錯形成的影響，本文運用分子動力學模擬方法，詳細研究了在外延鋁簿膜中單個入射原子動能對失配位錯成核時原子團擠出的影響。

1 模擬方法

采用在預置了一定應變的鋁襯底上設置同質外延層，這樣的體系中外延晶體和襯底之間只有幾何結構上的失配而無化學交互作用，有利于研究失配位錯的形成。外延膜生長面為{111}，模擬胞構建設置如圖1所示。圖中由下至上以不同的灰度分別表示固定層、恒溫層和自由層[4]。

此文中模擬胞的尺寸設定為：18d110×30d112×nzd111 （nz為整數，dhkl為（hkl）面間距）。在模擬過程中，入射原子從薄膜上方可以忽略原子間相互作用的位置垂直入射到薄膜表面中心的FCC位置上，入射動能分別為0.014eV、0.14eV、1.4eV、7 eV和10eV。在所有實驗中，不同動能的沉積原子都是入射在相同的位置，以保證模擬研究在相同的條件下進行，使產生的模擬結果有可比較性和可分析性。

2 模擬結果與討論

圖2給出了不同動能（Ek）的沉積原子入射到外延薄膜表面的FCC位置上，各體系在不同時刻（T）的原子結構圖。從圖2（a）中可以看出：動能為0.014eV的沉積原子入射在表面的FCC位置的情況下，體系在第800ps時，外延鋁薄膜表面仍然保持原子級平整。沉積原子入射到表面之后，成為表面吸附原子。它能夠克服原子間的勢壘，在薄膜表面隨機地遷移，具有較大的運動特性，但還不足以在超過臨界厚度的外延鋁膜中誘發形成失配位錯。

圖2（b）是動能為0.14eV的沉積原子入射在表面的FCC位置的情況下，外延薄膜中出現失配位錯（T= 220ps）時，體系的原子結構圖。從圖中可以發現沉積原子入射到薄膜表面后，隨著沉積原子在薄膜表面的不斷遷移，有一個正三角形構型的凸臺在其落點處并緊挨著沉積原子由薄膜內部向上升起。在凸臺上升的同時，失配位錯處于成核過程中。可見，入射原子動能為0.14eV時，由于外延薄膜表面受到了原子壓力和原子動能的共同作用，會有一部分基體內部原子被擠出來，在表面形成一個正三角形構型的凸臺，同時，在外延薄膜內部形成失配位錯。通過和圖2（a）比較可知：隨著沉積原子入射速率的增加，光滑的薄膜表面變成了帶有正三角形構型凸臺的非平整表面，即沉積原子對薄膜結構完整性的影響增大。

圖2（c）是動能為1.4eV的沉積原子入射在表面的FCC位置的情況下，外延薄膜中出現失配位錯（T= 100ps）時，體系的全局圖。它顯示了沉積原子入射到薄膜表面后，一個正三角形構型凸臺形成在入射原子最初的落點區域，并且遠離入射原子。沉積原子入射到薄膜表面后，由于能量傳遞作用，使得沉積原子落點周圍的表面原子振動加劇。當沉積原子的入射動能是1.4eV時，由于相鄰原子間能量傳遞的作用，故沉積原子落點周圍的表面原子變得非常活躍，振動明顯加劇，振幅也變大。此種情況下，落點周圍的表面原子不再需要入射原子壓力的作用，僅需得到從入射原子傳遞過來的能量就足以擺脫其他原子對它們的束縛，而被擠出薄膜表面。在凸臺上升的同時，失配位錯也處于成核過程中。圖2（d）中沉積原子的入射動能是10eV，也只需原子動能的影響，就會使薄膜表面產生凸臺，體系內部形成失配位錯。

圖2不同入射動能（Ek）的沉積原子入射到外延薄膜表面的FCC位置上，各體系在某一時刻（T）的原子結構。 （a） Ek=0.014eV，T= 800ps；（b） Ek=0.14eV，T= 220ps；（c） Ek=1.4eV，T= 100ps；（d） Ek=10eV，T= 61ps

失配位錯形成的動力學條件本質上是一種能夠打破力學平衡的結構微擾，沉積原子入射至薄膜表面后，薄膜表面原子有強烈的傾向與其相互作用，使其周圍就存在不均勻力場，所以薄膜內部原子從緊貼著沉積原子旁邊的地方擠出就更容易。通過分子動力學模擬所得到的有關外延薄膜局部表面形貌的變化能反映其內部結構變化的情況。

3 結論

以上研究表明，在外延薄膜中的失配位錯成核時，隨著原子入射動能的增加，有二種不同作用方式使倒正四面體構型原子團被擠出。當沉積原子動能為0.14eV時，在原子動能和原子壓力的共同作用下，倒正四面體構型原子團在緊挨著沉積原子邊緣被擠出；當沉積原子動能大于1.4eV時，在原子動能的影響下，倒正四面體構型原子團能被擠出。位錯形核后，失配位錯也隨之形成。

參考文獻：

[1] Kang W J， Hwang J H. Molecular Dynamics Simulations of Energetic Aluminum Cluster Deposition [J]. Computational Materials Science， 2002， 23（1-4）： 105-114.

[2] 周耐根， 周浪. 外延生長薄膜中失配位錯條件形成的分子動力學模擬研究[J]. 物理學報， 2005， 54（7）： 3278-3283.

[3] 潘華清， 周耐根， 潘展， 周浪. FCC晶體外延薄膜中失配位錯形成的動力學條件[J]. 南昌大學學報（理科版）， 2007， 37（2）： 177-180.

[4] 黃俊. 沉積原子入射動能對失配位錯形成的研究[J]. 科技經濟市場， 2011， 6：29-30.