分子动力学模拟AuPt薄膜生长研究

【摘 要】本文用分子动力学方法模拟了300K和700K下Au原子在Pt(111)面的沉积生长过程，特别关注了基底温度对薄膜生长方式和结构的影响。模拟结果表明：基底温度越高，薄膜表面越光滑；低温下薄膜的生长方式是三维岛状，高温下薄膜的生长方式是二维层状。

【关键词】分子动力学;异质外延;薄膜;模拟

0．引言

随着计算机性能的不断提升，计算机模拟方法被应用到材料研究的各个领域，在薄膜方面也得到了广泛的应用。其优势在于在模拟体系中得到的微观信息比实际实验中得到的信息要详细，并且还可以模拟实验室中无法实现的模型，所以计算机模拟对于理论的发展有着重要的意义。

本文运用分子动力学模拟方法，以面心立方金属Au、Pt为对象，选择(111)密排面为生长面，考察了外延薄膜的生长过程，旨在分析基底温度对Au/Pt薄膜生长方式和结构的影响。

1．模型与方法

在分子动力学模拟方法中，粒子间的相互作用大都采用经验势或半经验势进行计算，不同的体系都有相对应的经验或半经验势函数，因此势函数的选取对模拟结果至关重要。本文采取Quantum Sutton-Chen原子嵌入势函数(QSC-EAM)数据库，QSC-EAM势函数拟合过程中引入了量子信息，是一种高精度的长程Finnis-Sinclair势函数，目前被广泛应用于Cu、Ni、Au、Ag、Pt等十几种金属及其合金性能的分子动力学模拟。在做异质外延生长模拟之前，先采用QSC-EAM势对Cu、Au及其合金的应力-应变关系、热膨胀等特性进行了模拟检测，均得到了与实验吻合良好的结果。

所采用的模拟胞为外延Au膜模拟胞结构，衬底材料为Pt，衬底由下而上分别设置为固定层、恒温层和自由层，在X和Y轴方向上运用周期边界条件。固定层的设定是为了避免因为Au原子的沉积入射而使得整个体系产生漂移，设定为4层原子；中间层采用一种恒温算法控制温度，保持衬底的等温状态，设定为4～6层原子；自由层为表面4～6层原子，完全按牛顿力学自由运动。生长面为(111)面，在300K下模拟胞的尺寸设定为33d(110)×57d(112)×18d(111)(d为面间距)，在700K下拟胞的尺寸设定为26d(110)×42d(112)×14d(111)，模拟胞尺寸的建立取决于要形成一个完整的位错所需要的尺寸，而不同温度下失配度的不同则导致了对应温度下模拟胞尺寸的不同。

在模拟过程中，运用四阶Predict-Correct算法求解体系动力方程，时间步长为10－15s。Au原子逐个从衬底表面上方随机位置垂直入射，入射速率为1000m/s。观察分析某一时刻体系结构和势能时，将此时刻体系淬冷到0.001K以下,以消除原子热运动给体系结构和势能引入的噪声。

2．模拟结果与分析

基底温度分别为300K、700K下Au原子沉积在Pt衬底的沉积情况为，Au薄膜在Pt衬底上外延生长的结构图，深灰色粒子是Au原子，浅灰色粒子是Pt原子。(a)是300K下Au原子在Pt(111)上沉积初期的沉积图，很容易看出Au薄膜的生长方式是三维岛状。其原因在于生长过程中，当沉积原子在衬底表面形成稳定的凝聚核达到一定的浓度时，继续沉积下来的原子开始通过表面扩散集聚在已有的凝聚核上，使晶核生长并形成小岛，小岛不断生长，相邻的小岛会互相接触并彼此结合，随着小岛的不断结合，在小岛的底部将形成一些具有沟道的网络状薄膜。继续沉积，可能在空沟道中生成新的小岛，由小岛的生长来填充空沟道，也可能由沉积原子直接填充这些沟道，即由原来的小岛长大来填充。最后形成连续薄膜。700K下Au原子在Pt(111)上沉积初期的沉积图，很明显的看到Au薄膜的生长方式是二维层状生长。其原因在于沉积过程中，一部分被吸附在衬底表面上的沉积原子形成稳定的二维凝聚核，在达到一定浓度以后，继续沉积下来的原子就通过表面扩散集聚在已有的凝聚核上，而在核的表面上沉积原子的浓度很低，只有下一层基本形成时上层原子才开始在新一层集聚，因此薄膜是以层状的形式生长的。

经过较长时间后，在不同温度下Au薄膜在Pt衬底上生长的表面形貌图。在低温下，薄膜中的空位密度相对较高, 从而使薄膜的粗糙度升高。随着温度的提高，沉积的原子的排列是越来越规则，薄膜的空位密度越来越低，从而降低了表面粗糙度。

为了进一步说明Au薄膜在Pt衬底上的外延生长过程，截取了700K温度下在不同时刻体系的原子结随着模拟时间的推移，Au原子一个个沉积在Pt衬底上，在开始的一段时间内，Au薄膜与Pt衬底间存在大量的界面互扩散，但也可以看出薄膜表面粗糙度并不大。继续沉积生长，Au原子不断沉积，把Pt衬底完全覆盖，沉积层出现规则的结构。当薄膜沉积到120万步时，在Pt衬底上生长了22层Au原子层，薄膜表面没有明显的沟壑，比较光滑、规则。

图1是一组显示不同温度下Au薄膜界面互扩散情况的关系图。在原子界面附近，不同的温度显示了完全不同的情况。在300K时，体系完全没有出现原子互扩散的情况，在Au原子层上没有Pt原子的存在，在衬底层也没有Au原子存在，如图1（a）所示。在700K时，可以看到在Au和Pt界面附近发生相互扩散，Pt原子和Au原子进行了置换，随着外延薄膜的增长，不同薄膜原子层上的Pt原子的相对数目也不同，随着薄膜高度的增加，每层原子上的Pt原子也在逐渐减少直至为零,如图1（b）所示。

图1 相对数目和高度的关系

3．结论

基于QSC-EAM势函数的Au/Pt薄膜外延生长的分子动力学模拟表明：

(1)基底的温度对Au/Pt薄膜的生长方式有显著影响，随着温度的升高薄膜的生长方式会有三维岛状生长变成二维的层状生长。

(2)随着基底温度的升高，Au/Pt薄膜的表面形貌也发生明显的变化，300K时表面比较粗糙，而700K时比较光滑。

(3)界面互扩散现象随着基底温度的升高逐渐加剧，表明基底的温度越高，沉积到衬底表面的原子运动也剧烈，这也对上述两个结论给出了解释。

【参考文献】

［１］Jacobsen J,Nielsen L P,Besenbacher F et al.Atomic-Scale Determination of Misfit Dislocation Loops at Metal-Metal Interfaces[J].Phys.Rev.Lett.，1995,75(3):489.

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［３］周耐根,周浪.外延生长薄膜中失配位错形成条件的分子动力学模拟研究[J].物理学报,2005,54(7):3278.