金属薄膜在石墨烯层的生长系统研究

发布时间：2017-07-06 02:14

  本文关键词：金属薄膜在石墨烯层的生长系统研究

  更多相关文章： 薄膜生长 动力学蒙特卡洛直接法 DDA 微观粒子过程

【摘要】：随着纳米技术的发展,人造纳米材料的产品在我们的日常生活中随处可见,但是这也不能满足人们与日俱增的需求,而具有良好性能的石墨烯受到人们的广泛关注,从而给纳米材料领域注入了新的血液。目前,以石墨烯作为衬底来制备异质薄膜,尤其是贵金属与石墨烯的薄膜混合体,利用石墨烯的特性来增强或改善贵金属的性能,使其满足人们特殊的需求。薄膜制备技术的发展促使薄膜工艺的控制要求不断提高,由于研究微观的原子动力学过程是制备高质量薄膜的关键,粒子的生长尺寸及排列疏密程度直接决定着薄膜性能的优劣,所以,利用计算机模拟微观粒子过程,探讨石墨烯基底上贵金属薄膜的生长机理是十分重要的。本文研究了Au原子在单层石墨烯上的微观生长模型。通过MATLAB工具建立符合周期性边界条件的二维衬底模型,将粒子生长的沉积-扩散-聚集(DDA)理论引入该模型中,利用基于过渡态理论(TST理论)的动力学蒙特卡洛(KMC)直接法对成膜过程进行模拟,提出了不同粒子间的能量计算方法,优化了控制算法,建立了金膜在单层石墨烯上的二维生长形貌演化直观图。统计分析原子岛的特征参数,建立晶粒生长与控制条件的对应关系,实现了晶粒生长与二维表面形貌的演化趋势。本文通过模拟Au成膜的表面演化过程,讨论了粒子的吸附、扩散、成核、脱附过程,解释了原子数、生长时间、溶液浓度对应的沉积速率、过渡态势垒、以及不同解吸几率对成膜的影响,结果表明溶液浓度是Au成膜的外部控制条件之一。控制好该参数就可以控制原子团簇在衬底上的生长趋势,浓度较低时,团簇尺寸较小且分布均匀,有足够的时间和空间发生弛豫现象;当浓度较大时,沉积的粒子没有足够的时间和空间去寻找它的亚稳定位置,易导致分形生长。单独考虑了脱附概率对系统组态的影响,得出,在模拟过程中,适当降低脱附速率对成膜的质量有很大的提高作用。其他参数对系统的组态也有影响,只要控制好外部条件,就可以制备出缺陷少、性能高、面积大的高质量混合膜。总之,本文所建的二维模型能定性的解释衬底上形貌的演化过程,简化了薄膜制备的工艺过程,对其他材料的晶粒生长具有一定的指导作用。但是,由于模拟过程中假定事件执行过程的时间等于下一个原子到达的时间,所以,要想得到该工艺制备薄膜生长演化机理的准确解释,还需进一步改进模型。
【关键词】：薄膜生长 动力学蒙特卡洛直接法 DDA 微观粒子过程
【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-13
• 1.1 选题背景与意义8-9
• 1.2 薄膜生长的研究现状9-11
• 1.2.1 国外研究现状10
• 1.2.2 国内研究现状10-11
• 1.3 本文研究的内容及组织结构11-13
• 第2章 薄膜工艺的理论基础及计算方法13-28
• 2.1 薄膜工艺概述13-16
• 2.1.1 单晶石墨烯的制备13-15
• 2.1.2 石墨烯/Au（111）制备工艺15-16
• 2.2 薄膜的形核与生长理论16-20
• 2.2.1 亚单层薄膜生长机理16-19
• 2.2.2 多层薄膜生长机理19-20
• 2.3 计算机模拟的基础理论与方法20-28
• 2.3.1 密度泛函理论21
• 2.3.2 过渡态理论21-22
• 2.3.3 分子动力学（MD）方法22-23
• 2.3.4 蒙特卡洛方法23-24
• 2.3.5 动力学蒙特卡洛方法24-26
• 2.3.6 粒子间的作用势26-28
• 第3章 Au膜生长的模型设计28-39
• 3.1 建模的基本思路28-31
• 3.2 模型的建立31-35
• 3.2.1 衬底的建立31-33
• 3.2.2 Au-C与Au-Au相互作用的计算33
• 3.2.3 事件过程的计算33-35
• 3.3 KMC算法的实现35-39
• 3.3.1 KMC直接法描述35-36
• 3.3.2 KMC程序设计36-39
• 第4章 Au薄膜生长表面形貌的模拟结果分析39-49
• 4.1 系统参数对薄膜生长表面形貌的影响39-43
• 4.2 溶液浓度对薄膜生长表面形貌的影响43-45
• 4.3 解吸几率对晶粒尺寸的影响45-47
• 4.4 能量参数γ对生长系统的影响47-48
• 4.5 结论48-49
• 第5章 总结与展望49-51
• 5.1 工作总结49
• 5.2 展望49-51
• 参考文献51-56
• 在读期间发表的学术论文56-57
• 致谢57

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