薄膜力学性质及台阶势垒影响下的表面形貌计算模拟研究

发布时间：2020-09-27 07:38

　　近几十年来,随着材料科学技术的急速成长,纳米薄膜因有着许多独特且卓越的性质被广泛应用于信息、能源、生物等各个领域。然而,由于外界的机械应力、温度、压力以及薄膜内部的缺陷、势垒等的影响,使得纳米薄膜表面结构发生变化,这些微小的变化能导致薄膜性能发生根本的变化,从而不利于器件的合成。因此,研究和制备出性能高、稳定性好、符合需求的纳米薄膜成了当今材料科学的关键。然而,要实现纳米薄膜的可控制备,需在原子层面上观测薄膜的成核机理以及生长过程,这在当今实验设备上很难得到控制。因此我们采用计算机模拟技术来对纳米薄膜的力学性质和生长过程进行研究,一方面方便我们探索成核的生长机理和规律及研究薄膜的性质,另一方面可以大量减少实验中的资源浪费并对实验有重要的指导作用。本课题的研究内容主要分为两个部分,第一部分是研究采用分子动力学方法模拟的三种不同表面形貌的银纳米薄膜沿着[0 1 0]晶向拉伸的力学性质,第二部分是研究采用蒙特卡罗方法模拟的二维铜薄膜生长过程中台阶势垒和温度对表面形貌的影响。模拟的结果表明:(1)三种银纳米薄膜的拉伸过程主要分为两个阶段,一是弹性形变阶段,二是塑性形变阶段。研究表面,普通薄膜有着较高抗拉伸能力;而对于网格薄膜,方形网格薄膜有着较高的抗拉伸能力。(2)随着纳米薄膜厚度的逐渐增加,薄膜的初始应力都逐渐减小;屈服应变略微有所波动;屈服应力和杨氏模量基本不变。(3)随着温度的逐渐升高,薄膜的屈服应变、屈服应力和杨氏模量都会下降,且下降趋势近似呈线性变化。(4)台阶势垒影响着薄膜的表面形貌,基本上,薄膜表面的粗糙度随二维台阶势垒和三维台阶势垒的增大而增大。(5)二维台阶势垒和三维台阶势垒存在着竞争关系,且竞争点的三维台阶势垒值随二维台阶势垒的增大而变小。(6)温度也同样影响着薄膜的表面形貌,基本上,薄膜表面的粗糙度随温度的升高而下降。因此,可以把二维台阶势垒和三维台阶势垒的竞争关系推广至任意温度下,对实验上制备纳米薄膜有着重要的指导意义。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2
【部分图文】：

结构示意图,纳米尺度,纳米材料,三维空间

电子科技大学硕士学位论文现在人们的视野中。根据在三维空间中纳米材料有几个维度处于纳米尺度下，把它分为以下三类，其结构示意图如图 1-1 所示[5]：(1) 0 维：纳米材料的三维空间尺寸均处于纳米尺度内，如纳米球、原子团簇等，这种 0 维度的纳米材料又被叫称为量子点(Quantum Dot)。(2) 1 维：纳米材料的三维空间尺寸有两维处于纳米尺度内，如纳米线、纳米棒、纳米管等，这种 1 维的纳米材料又被称为量子线(Quantum Wire)。(3) 2 维：纳米材料的三维空间尺寸有一维处于纳米尺度内，如纳米薄膜、多孔纳米薄膜、超晶格等，这种 2 维的纳米材料又被称为量子阱或量子膜(QuantumWell)。

示意图,银纳米线,微栅,拉伸应变

1.3 本论文选题角度从上小节中我们了解到不同维数不同形貌的纳米材料被应用于各个科技领域，从而大大改善了现代化科学技术的发展，因此可以说纳米材料是现代化科技的基础，所以研究和探究纳米材料的生长过程和其性能显得尤为重要。本论文主要选取了两个特殊的角度来探究纳米薄膜的性能和对生长薄膜的影响。1.3.1 力学性质由于薄膜在制备及应用的过程中，往往会受到晶体内部或者周围施加的应力的影响，从而导致薄膜的力学性能受到影响。此外，利用薄膜的力学特性，还可以制备有着特殊功能的器件。如图 1-2 所示[33]，Cho 小组制备的基于银纳米线微栅格的可拉伸应变传感器，则是利用银纳米线网格的拉伸及复原过程来实现的，其最大可弹性拉伸的应变值(即屈服应变)对器件性能有着重要的影响。因此，本论文的第一份工作将主要研究三种不同表面形貌的纳米薄膜的力学性质。

形貌,生长过程,薄膜,原子

第二章薄膜的理论形成过程者被吸附到衬底。(2) 被吸附的原子受到衬底表面热作用的影响，在衬底表面上开始向各个扩散。(3) 在扩散过程中，扩散原子与其他原子相遇，他们会彼此结合形成较大原子团，两个原子结合被称为二聚体，三个原子结合被称为三聚体，多合被称为团簇。(4) 结合较稳定的团簇的原子也有可能从中脱附出来，重新成为扩散原子重新回到气相，重复过程(1)(2)(3)。(5) 团簇中结合的原子越来越多，形成更加稳定的岛，沉积原子沿着岛的扩散，跨过不同层数的台阶，与其他原子进行能量的交换，达到相对稳，直至沉积结束，形成一定形貌的薄膜。

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