鋁薄膜的生長過程的計算機模擬

王翰林 趙鵬遠（長春理工大學，吉林長春 130022）

鋁薄膜的生長過程的計算機模擬

王翰林 趙鵬遠
（長春理工大學，吉林長春 130022）

采用動力學蒙特卡洛方法（KMC）對AL薄膜的生長過程進行計算機模擬。運用計算機軟件仿真在對基底溫度為400K至1100K的不同基底溫度下的鋁薄膜的生長過程。仿真結果表明：基底溫度對AL薄膜的形成與生長有著直接的關系，基底溫度與成島分子數量呈現先增加后減少的趨勢，600K以下基本不會形成島，當基底溫度為900K時，島所形成的形貌最為理想，缺陷率最低。

鋁薄膜 薄膜生長 計算機模擬

近五十年來，鋁已經成為世界上用途最廣泛的金屬之一。在建筑行業上，因為鋁在空氣中的陽極處理后的極佳外觀和鋁材料的穩定性而受到廣泛應用；在航空航天及國防軍工部門也廣泛使用鋁合金材料；在電力輸送上則常用高強度鋼線補強的鋁纜；此外，汽車制造、家用電器、集裝箱運輸、機械設備、日常用品等領域都大量使用鋁及鋁合金。研究鋁原子薄膜的蒸餾對實際生產生活有重要作用。

文黎巍［1］以鋁薄膜的生長為例對蒙特卡洛方法和分子動力學方法進行了比較。宋鵬［2］對金屬薄膜缺陷及生長模式進行了有限元分析。王易生［3］對薄膜沉積過程中成核生長機理進行了研究。

本實驗采用蒙特卡洛方法，并采用meterials studio軟件進行計算機模擬，對相同鋁薄膜以不同基底溫度進行加熱。設置等梯度溫度進行實驗，找到成島情況最好，缺陷率最小的優化溫度。

1 實驗過程

本計算模擬模型建立的是一個100X100粒子的二層基底，將基底分別在400K，500K，600K，700K，800K，900K，1000K，1100K的條件中加熱。觀察在不同溫度下的成島情況，并比較。

圖2為沉積率為0.8ML/s，基底溫度分別為400，500，600，700，800，900，1000，1100K時島的形貌，其中紫色為鋁原子。

基底溫度較低時，薄膜上基本不形成島，粒子散落在基底上，例如400，500，600K時。當溫度上升至700K時，粒子開始聚集。該溫度達到900K時，成島粒子數目最多。當溫度超過900K并逐漸升高時，粒子的總數逐漸下降。溫度為1100K時，島上的粒子總數大幅減少，缺陷率顯著增加。本模擬結果與S.Veprek［4］和劉學杰［5］所得出的結論較為接近。（如圖2）。

2 結論

1 ）基底溫度為400K時，粒子散落在基底上，不能形成島。其主要原因是基底溫度較低，粒子無法獲取遷移激活能。

2 ）基底溫度為900K時，粒子所形成島的面積最大，而且缺陷率較低。

············

圖2

3 ）基底溫度高于800K時，因為溫度過高，薄膜內部的缺陷逐漸增大，直到無法形成島。當基底溫度過高時，在遷移的過程中會發生粒子被蒸發的現象。

［1］文黎巍，郭巧能，丁俊，文書堂，等.薄膜生長計算機模擬概論［J］.材料導報.2008（22）:217-223.

［2］宋鵬，陸建生，張豐順，周潔，楊濱.金屬薄膜缺陷及生長模式的有限元模擬［J］.材料科學與工藝，2007，15（6）:827-830.

［3］王易生.薄膜沉積過程中成核生長機理及調控的分子模擬研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，2015:7-8.

［4］VEPREK S，ZHANG R F，VEPEREK-HEIJMAN M G J.Superhard Nanocomposites:Origin of Hardness Enhancement Properties and Application ［J］.Surf.

［5］劉學杰，洪超，姜永武，孫士陽.Ti—Si—N薄膜生長的計算機模擬［J］.表面技術，2013，42（3）:9-11.

本論文得到了吉林省自然科學基金（項目號20150101023JC）、吉林省教育廳科技創新項目，大學生創新創業訓練計劃項目（項目號2015S015， 2015S013）項目資金的支持。