薄膜生長(zhǎng)理論模型與MonteCarlo模擬PPT課件

1、分組情況 找資料論文:鄒譞,魏文祥，吳杰 資料翻譯:陳義琦,李莉 建模:吳杰, 陳義琦, 李莉,崔錚, 林澤浩，黃萌. 編程:鄒譞，黃萌,項(xiàng)梁,崔錚,朱英山. 會(huì)議,日志文字記錄整理:李莉，朱英山. 論文撰寫(xiě),演示文檔制作:朱英山，陳義琦.第1頁(yè)/共25頁(yè)課題項(xiàng)目薄膜生長(zhǎng)的理論模型及其蒙特卡羅模擬薄膜廣泛的應(yīng)用前景光電技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)特別是電子材料和集成電路技術(shù)上的要求研究現(xiàn)狀1。實(shí)驗(yàn)技術(shù)超低溫下掃描隧道顯微鏡觀察2。計(jì)算機(jī)模擬通過(guò)對(duì)不同的模型的模擬以及不同參數(shù)的設(shè)置來(lái)了解不同工藝條件下的成膜過(guò)程以及各參數(shù)變化對(duì)成膜的影響。提高了試驗(yàn)效率，減小了試驗(yàn)成本和開(kāi)發(fā)新材料的費(fèi)用。第2頁(yè)/共2

2、5頁(yè)理論模型 理論模型碰撞 源物質(zhì)粒子離開(kāi)源向靶沉積，氣相原子沉積到表面并被表面吸附變成吸附原子遷移 落到靶上的粒子在襯底上移動(dòng), 尋找較穩(wěn)定的結(jié)合點(diǎn)。第3頁(yè)/共25頁(yè)理論模型 成核 源物質(zhì)粒子互相結(jié)合, 形成晶核 蒸發(fā) 熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致成核的粒子重返靶外空間 成膜 晶粒長(zhǎng)大到互相連接成片 u二維u三維第4頁(yè)/共25頁(yè)Monte Carlo 方法模擬成膜過(guò)程的可行性分析動(dòng)力學(xué)方法 弊端：需要在巨型計(jì)算機(jī)上追蹤計(jì)算數(shù)以萬(wàn)計(jì)的粒子在各瞬時(shí)受的力、運(yùn)動(dòng)速度和軌跡。顯然,這樣做難度是很大的。 Monte Carlo 方法 成膜過(guò)程是大量微觀粒子在給定宏觀條件約束下的集體行為 ，但是就每一粒子的運(yùn)動(dòng)而言其運(yùn)動(dòng)

3、實(shí)際也是每一步都是隨機(jī)的 u 連續(xù)空間(continuum space,CS) u 離散晶格(Discrete Lattice,) 便于編程實(shí)現(xiàn)第5頁(yè)/共25頁(yè)編程實(shí)現(xiàn)二維二維薄膜生長(zhǎng)模擬中采用10001000的方形格子作為襯底，隨機(jī)向襯底入射N個(gè)粒子每個(gè)粒子可運(yùn)動(dòng)W步 。lN決定于所需要成膜的厚度與面積lW決定于入射粒子的能量，電場(chǎng)，磁場(chǎng)或者激光方法來(lái)控制第6頁(yè)/共25頁(yè)編程實(shí)現(xiàn)二維 判斷最近鄰，次近鄰 簡(jiǎn)化1襯底原子不動(dòng) 簡(jiǎn)化2單位時(shí)間只跟蹤一個(gè)粒子 簡(jiǎn)化3格點(diǎn)處是襯底點(diǎn)陣能量極小值第7頁(yè)/共25頁(yè)編程實(shí)現(xiàn)二維次近鄰優(yōu)先級(jí)低最近鄰優(yōu)先級(jí)高 次近鄰優(yōu)先級(jí)低最近鄰優(yōu)先級(jí)高 核最近鄰優(yōu)先級(jí)高次近

4、鄰優(yōu)先級(jí)低最近鄰優(yōu)先級(jí)高 次近鄰優(yōu)先級(jí)低第8頁(yè)/共25頁(yè)編程實(shí)現(xiàn)三維7070500立方體格子 最近鄰五個(gè)格點(diǎn)次近鄰八個(gè)格點(diǎn)其余算法都是從二維推廣到三維第9頁(yè)/共25頁(yè)第10頁(yè)/共25頁(yè)二維程序運(yùn)行模擬結(jié)果1 10萬(wàn)粒子運(yùn)行1000步 1萬(wàn)粒子運(yùn)行1000步第11頁(yè)/共25頁(yè)二維程序運(yùn)行模擬結(jié)果210萬(wàn)粒子運(yùn)行1萬(wàn)步 1萬(wàn)粒子運(yùn)行1萬(wàn)步第12頁(yè)/共25頁(yè)二維程序運(yùn)行模擬結(jié)果3 10萬(wàn)粒子運(yùn)行10萬(wàn)步 1萬(wàn)粒子運(yùn)行10萬(wàn)步第13頁(yè)/共25頁(yè)二維程序運(yùn)行模擬結(jié)果4 10萬(wàn)粒子運(yùn)行100萬(wàn)步 1萬(wàn)粒子運(yùn)行100萬(wàn)步第14頁(yè)/共25頁(yè)二維程序運(yùn)行模擬結(jié)論 隨著運(yùn)動(dòng)步數(shù)的增加，薄膜生長(zhǎng)圖形的分形生長(zhǎng)現(xiàn)象越

5、明顯，同樣的粒子數(shù)，步數(shù)越多襯底上的成核數(shù)越少，分形枝越粗。這是由于我們的模型是設(shè)計(jì)到達(dá)運(yùn)動(dòng)步數(shù)后未成核的粒子耗盡能量固定下來(lái)。 增加步數(shù)，粒子在襯底上運(yùn)動(dòng)的幾率增大，與其他粒子相接觸而成核的幾率也增大 。 其次，隨著分形枝的增長(zhǎng)，粒子與伸長(zhǎng)枝的接觸幾率也增大了 第15頁(yè)/共25頁(yè)三維程序運(yùn)行模擬結(jié)果1 1000個(gè)粒子三維圖像 第16頁(yè)/共25頁(yè)三維程序運(yùn)行模擬結(jié)果2 10000個(gè)粒子三維圖像 第17頁(yè)/共25頁(yè)三維程序運(yùn)行模擬結(jié)果3 100000個(gè)粒子三維圖像 第18頁(yè)/共25頁(yè)三維程序運(yùn)行模擬結(jié)論 本模型假設(shè)溫度較低忽略了粒子的填補(bǔ)下層空隙的運(yùn)動(dòng) 結(jié)論一u從上三個(gè)圖可以看出下一層還未完全覆

6、蓋時(shí)，上一層就可以開(kāi)始堆積了，可見(jiàn)，再粒子總層數(shù)不太多得情況下，薄膜的厚度是不大均勻的。 第19頁(yè)/共25頁(yè)三維程序運(yùn)行模擬結(jié)論 結(jié)論二l粒子在襯底上成核數(shù)不同，膜的均勻性也不同。 結(jié)論三l島密度大意味著島的平均尺寸小,處在較小的島上面的沉積原子比處于較大的島上面的沉積原子更容易到達(dá)島邊界,提高了原子發(fā)生層間擴(kuò)散的幾率。第20頁(yè)/共25頁(yè)結(jié)論 用計(jì)算機(jī)模擬研究了薄膜生長(zhǎng)機(jī)理,給出了微觀生長(zhǎng)過(guò)程的詳細(xì)圖像。運(yùn)動(dòng)步數(shù)越多（能量越大），則所成核越大（樹(shù)形結(jié)構(gòu)越明顯）且成核數(shù)量越少。粒子數(shù)越多，則所成核越明顯。這種按隨機(jī)規(guī)律生成的多層粒子膜, 其厚度方面的不均勻性是難免的。并且隨著核的數(shù)量的增加薄膜的光滑均勻性越好。第21頁(yè)/共25頁(yè)閃光點(diǎn) 從查找到的文獻(xiàn)來(lái)看前人的工作多半集中在二維平面上，我們把它推廣到了三維空間，更符合實(shí)際應(yīng)用。 采用了矩陣判斷位置是否被占用的方法。 效果：計(jì)算效率有了量的增加，極大程度 上地減少了運(yùn)算所用的時(shí)間。 矩陣單獨(dú)進(jìn)行判斷。 效果：增強(qiáng)了可更改性，易于進(jìn)行調(diào)試。 成核條件成熟直接跳出法，很大程度上提高了CPU的運(yùn)算效率 。第22頁(yè)/共25頁(yè)致 謝： 感謝江老師對(duì)我們的指導(dǎo)并給我們一個(gè)團(tuán)結(jié)協(xié)作的機(jī)會(huì)！ 感謝01級(jí)