重構(gòu)表面碰撞過程

1、 C與Si重構(gòu)表面碰撞過程的 分子動力學模擬輔導老師：江建軍課題組成員：儲小麗 李楓 黃衛(wèi)鋒 范長鑫 褚光 金向峰董凱鋒 張春云 周旋 實驗目的：通過分子動力學方法和多體勢研究荷能C原子與Si重構(gòu)表面碰撞動力學過程中如社C原子能量隨時間的變化情況。CCMS計算材料學課程設計 1 引言n目前SiC外延主要采用化學氣相沉積（CVD），液相外延（MBE）等技術(shù)。高溫除了引進雜質(zhì)的再分布外，在降溫過程當中將產(chǎn)生熱應力和失配缺陷，嚴重影響電子器件的應用。而等離子體輔助CVD、超聲射流分子束等技術(shù)則可以有效降低襯底溫度。n這些技術(shù)當中，入射C原子能量的引入是溫度降低的關(guān)鍵，荷能原子與薄膜表面相互作用的物理

2、過程對于材料控制的微觀結(jié)構(gòu)和微量化學比起著重要的作用。nC,Si原子的相互作用的Tersoff勢形式為：n E 0.5 (1)n = ( ) ( ) ( ) (2) n且，bij=(1+ ) , = ( ) g( ) (3)n式中,E是體系的總勢能 , Vij是i,j原子間的成鍵能量 。bij被稱為鍵序函數(shù),反映原子間的三體相互作用;ni為勢的參數(shù)值,由于該勢包含了鍵序的影響,因此能正確描述C、Si等半導體中的原子間的作用。 2 計算模型iij ininij/2ni 1ij,ck i jfikrikijkijVijVcfijrijaRfijrijbAfijr2 計算模型（續(xù)）n首先用該勢計算了

3、Si(001)表面的弛豫和重構(gòu)特性,得到了表面二聚化鍵長約0.24nm,表面層原子平均下降0.06nm,與一些實驗和理論計算數(shù)據(jù)符合很好。然后用該勢擬了不同能量C原子與Si(001)重構(gòu)表面的相互作用。計算中Si襯底由8層,每層32個Si原子組成。整個襯底分為3部分。第1部分是底部2層,在整個動力學過程中保持Si原子固定;第2部分是表面2層,完全受Tersoff勢決定的力場作用;第3部分是中間4層,其原子用速度標定法,使襯底溫度恒定。體系動力學方程的數(shù)值積分用LeapFrog算法實現(xiàn)，計算步長0.5fs。 3模擬結(jié)果與分析 n具有一定能量的C原子入射襯底表面,只有失去垂直表面向外動量的原子能夠

4、停留在表面上與襯底原子成鍵,否則就會被散射再進入空間,這與入射粒子的性質(zhì)、能量以及基底的性質(zhì)、溫度有關(guān)。為了清楚地了解C原子與Si表面相互作用的動力學過程及能量轉(zhuǎn)化,選取圖1所示的a、b兩處不同入射位置,模擬了典型碰撞過程中入射原子能量的變化,對其與Si原子的作用機理進行了分析。 模擬結(jié)果與分析（續(xù)）n固定C原子的入射能量為4eV,在襯底a,b位置上方0.2nm處垂直入射,每個模擬事件從原子與表面相互開始記錄至2ps,更長的記錄時間觀察不到明顯的結(jié)構(gòu)變化。C原子在位置a和襯底發(fā)生作用后,吸附在襯底表面,與Si原子穩(wěn)定成鍵。n圖2給出了從原子入射到成鍵過程的原子瞬時構(gòu)型圖。圖3為成鍵過程中C原子

5、的能量隨時間的變化情況。 圖2 與 圖3 圖3 分析n0 時刻是c原子進入襯底的作用區(qū)域時間范圍，C原子能量恒定。n 之后C原子能量下降，15fs之后c原子沒有足夠能量與原子繼續(xù)接近。nSi原子由 時刻起，Si原子1、2由于熱效應和與C原子橫向作用的影響,振動加劇,促使1,2原子間二聚鍵被打開,同時C原子由于受到原子1、2不平衡力矩的作用橫向能量開始增加,出現(xiàn)在1、2勢阱中的振蕩運動,振動沿(1,1,0)方向 。1t1t2t 圖3分析（續(xù)）nt3=86fs時刻完成一振蕩周期。n當?shù)竭_t4=130fs時,C原子沿(-1,1,0)方向的橫向動量達到一極大值,越過1、2原子間勢壘作用徙動到1、3原子

6、的作用勢阱,能量進一步下降,最后與原子2穩(wěn)定成鍵,鍵長為0.179nm。 入射C原子與襯底原子2的距離隨時間變化的關(guān)系C-2的距離隨時間逐漸減小,最后在0.179nm處達到平衡,考慮到實際SiC薄膜生長應為多個C、Si粒子作用過程,此值與理論上C-Si鍵長0.187nm偏差不大C原子與襯底發(fā)生散射過程時能量隨時間的變化 n在t1=48fs時刻超C原子與Si原子出現(xiàn)作用,由于入射C原子與表面層Si原子距離較遠,作用較為微弱,C原子直接穿過4個表面二聚的中心,深入襯底。n到t2=62fs時,C原子與次表面層Si原子碰撞損失大部分能量,Si-Si鍵受到壓縮,此時在Si原子的斥力作用下,C原子將離開襯

7、底,能量開始加。nt3=98fs時刻,縱向能量達到最大值,由于在不平衡力矩作用下,橫向能量有所增加,使得總能量出現(xiàn)增加的過程,此時C原子有足夠剩余的能量離開襯底,隨C原子逐漸離開Si原子的作用范圍,橫向能量逐漸減小,最終C原子反彈離開襯底,能量不再變化。 C原子高度隨時間的變化n相同能量的荷能C原子在不同Si襯底位置入射時會產(chǎn)生不同的物理過程,主要原因在于C原子入射位置對應Si原子表面的局部構(gòu)型使成鍵過程所需C原子能量的不同。在入射位置a處,C原子易于被Si原子吸附,與其成鍵,這是由于位置a二聚體附近,C原子的入射易造成二聚鍵的斷裂,使Si原子出現(xiàn)懸鍵,易和C原子結(jié)合。而碰撞位置b位于二聚體之間的區(qū)域,當C原子到達表面時,不易和Si原子發(fā)生作用,可深入內(nèi)部與Si原子作用,所需的能量就大了許多。如在入射位置b,將C原子的能量改為8eV,其它條件不變的情況下,發(fā)現(xiàn)作用過程變?yōu)槌涉I過程。 4 結(jié)論1.荷能C原子的能量損失主要發(fā)生在與Si原子作用開始后極短的時間后,這主要由晶格內(nèi)光頻聲子的振動頻率所決定。2.C原子入射位置對應到達襯底表面后Si原子的表面構(gòu)型,產(chǎn)生不同的作用過程。3.C原子能量的增加有