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半导体Mg2Si薄膜生长过程的分子动力学模拟.rar

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    半导体 Mg2Si 薄膜 生长 过程 分子 动力学 模拟
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    科技学院 2011 届本科毕业论文半导体 Mg2Si 薄膜生长过程的分子动力学模拟专 业:电子信息科学与技术指导教师: 肖清泉 学生姓名: 万 峰 学生学号: 072004110454 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页目 录摘 要 ............................................................ⅢAbstract...........................................................Ⅳ第一章 绪论 .......................................................11.1 Mg2Si 的研究现状 ............................................11.1.1 半导体材料的发展历程 ..................................11.1.2 Mg2Si 的基本性质及研究现状 ............................11.1.3 Mg2Si 的计算机模拟 ....................................31.1.4 分子动力学模拟方法 ....................................31.2 磁控溅射技术 ...............................................41.3 薄膜材料研究的意义 .........................................5第二章 模拟薄膜生长的基本模型 ......................................62.1 分子动力学模拟方法(MD) ...................................62.1.1 分子动力学的一般理论 ..................................62.1.2 分子动力学模拟的基本步骤 ..............................62.1.3 分子动力学模拟的发展历程 ..............................72.2 分子动力学模拟的具体过程 ...................................82.2.1 分子动力学模拟的基本原理 ..............................82.2.2 牛顿运动方程 ..........................................92.2.3 原子间的相互作用势 ....................................92.2.4 边界条件 .............................................112.2.5 数值算法 .............................................122.3 实际模拟应用中的关键技术 ..................................132.3.1 体系中粒子的初始位置和初始速度 .......................132.3.2 周期性边界条件中力的处理 .............................142.3.3 时间步长的选择 .......................................152.3.4 温度(能量)控制 .......................................152.4 薄膜生长过程 ..............................................16第三章 溅射工艺对 Mg2Si 薄膜制备的影响 .............................183.1 引 言 .....................................................183.2 溅射时间对 Mg2Si 薄膜制备的影响 ............................183.2.1 制备参数 .............................................183.2.2 XRD 衍射图 ...........................................193.2.3 SEM 衍射图 ...........................................193.2.4 小结 .................................................203.3 溅射功率对 Mg2Si 薄膜制备的影响 ............................203.3.1 制备参数 .............................................203.3.2 XRD 衍射图 ...........................................203.3.3 SEM 衍射图 ...........................................213.3.4 小结 .................................................21贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页3.4 溅射气压对 Mg2Si 薄膜制备的影响 ............................223.4.1 制备参数 .............................................223.4.2 XRD 衍射图 ...........................................223.4.3 SEM 衍射图 ...........................................233.4.4 小结 .................................................233.5 本章小结 ..................................................24第四章 结 论 ......................................................25参考文献 ...........................................................27致 谢 .............................................................28贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页半导体 Mg2Si 薄膜生长过程的分子动力学模拟摘 要论文第一章简单介绍了第一代半导体材料和第二代半导体材料的发展和应用,以及它们各自存在的问题和由此带来的资源危机和环境危机,并且阐述了发展第三代环境友好型半导体材料的必要性。通过引入计算机模拟,解决了实验理论研究存在的困难。论文第二章主要介绍分子动力学方法在模拟薄膜生长方面的一些基本原理和基本步骤,给出了几种常用势函数的形式,选取势函数时应注意它们的适用范围。充分考虑体系中粒子的初始位置和初始速度、边界条件及时间步长的选取对模拟时的影响。第三章简单讨论了溅射工艺对 Mg2Si 薄膜制备的影响。本文一方面采用分子动力学(MD)方法模拟了 Mg2Si 薄膜的生长,在原子尺度上揭示膜层形成初期粒子的微观变化过程及膜层微观结构的演化规律,对改进和优化薄膜生长工艺、提高薄膜质量、改善薄膜性质具有重要意义;另一方面在实验上采用磁控溅射技术,通过改变溅射参数,研究了溅射工艺对 Mg2Si 薄膜制备的影响,并通过X 射线衍射和扫描电镜对晶体结构和表面形貌进行了表征。 关键词:Mg 2Si;薄膜生长;分子动力学;磁控溅射贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 IV 页The Molecular Dynamics Simulation of growth of thin film semiconductor Mg2Si AbstractThe first chapter introduces the first generation and second-generation semiconductor materials development and application of semiconductor materials, and their respective problems and the resulting resource crisis and environmental crisis, and describes the development of third-generation environment-friendly semiconductor materials necessity. Through the introduction of computer simulation, experimental theory to solve the difficulties. The second chapter introduces the molecular dynamics simulation of thin film growth in terms of some of the basic principles and basic steps are given in the form of potential function of several commonly used to select potential function should pay attention to their scope of application. Give full consideration to the initial position of particlesSet and the initial velocity, boundary conditions and the selection of time step effects on the simulation. Chapter III discusses the sputtering process on a simple thin film deposition Mg2Si.This article on the one hand by molecular dynamics (MD) method to simulate the growth of Mg2Si film, the film is revealed at the atomic scale changes in the micro particle formation of the initial process and the evolution of film microstructure on the improvement and optimization of thin film growth process and improve the film quality, to improve the properties of the films is of great significance; the other hand, experiments on the use of magnetron sputtering technology, by changing the sputtering parameters of sputtering process on Mg2Si thin film deposition, and through X-ray diffraction and scanning electron microscopy crystal structure and surface morphology were characterized.Keyword: Mg2Si; Thin film growth; Molecular Dynamics;Magnetron sputtering贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页第一章 绪论1.1 Mg2Si 的研究现状1.1.1 半导体材料的发展历程新型半导体材料的研究和突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展。作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃,并广泛应用于信息处理、自动控制等领域,对人类社会的发展起了极大的促进作用。硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子领域的应用。随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展,第二代半导体材料崭露头角,砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键元器件。同时,砷化镓高速器件也开拓了移动通信的新产业。这些半导体器件中经常用到的重化学元素(如 Ga,As 及 In 等)及其化合物通常对人体是有毒害的。并且这些元素在地球中的资源寿命也是非常有限的。但即使是这样,考虑到元素的性能,它们还是被大量的使用着。因此我们必须面对在人类赖以生存的地球上由于广泛使用重化学元素半导体材料而产生的自然资源短缺和环境污染问题。而发展新型环保的,可持速发展的环境友好型半导体材料也就成为了工业发展和人类社会进步的迫切要求。环境友好型半导体材料 [1],也就是使用资源丰富,毒性小,对生态的适应性高的元素,即对环境好的半导体;能回收和再生利用,能源消耗少,对环境负荷小的半导体材料;有助于能源和环境的太阳能电池,热电变换元素等特点的半导体材料。1.1.2 Mg2Si 的基本性质及研究现状Mg2Si是Mg-Si 二元体系中唯一的稳定存在的化合物,具有类CaF 2的反萤石晶体结构 [2],如图1.1 所示,空间群为Fm3m,面心立方(fcc)晶体。一个Mg 2Si晶胞中含4个硅原子,8个镁原子,符合Mg 2Si的化学计量比Mg/Si=2∶1。晶胞中硅原子位于边长为 的立a方晶胞的各个角顶,形成面心立方结构;镁原子填充在内部形成边长为a/2 的简立方结构,具有较高的对称性。Mg 2Si的晶格常数 =0.635nm,它属于正常价金属间化合物 [3],a几何密排相为GCP。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页金属硅化物半导体材料例如 Mg2Si,β-FeSi 2 以及 Ca2Si 等,这些硅化物无毒,又由在地壳中储量极其充足的高克拉克数原子化学元素 Si(25.8%) ,Fe(4.7%) ,Ca(3.4%) ,Mg(1.9%)组成。这些金属-硅化物半导体在光电应用和能量器件应用上有很好的性质。特别是 Mg2Si,由于 Mg2Si 具有高的热电势率和低的导热率, 并且可以在 Si 基衬底上外延生长 [4],因此在热电材料,电池材料等方面具有广泛的应用前景。由于 Mg2Si被认为是一种很有发展潜力的热电材料 [5]之一,因而被广泛的研究。图1.1 Mg 2Si晶体结构图作为一种新型的环境半导体材料,Mg 2Si以具有极低的密度,高熔点,低膨胀系数,高热稳定性等优异性能而倍受人们的青睐。并且组成Mg 2Si材料的元素硅和镁在地层中的蕴藏量大,价格低廉,耐腐蚀,对环境无污染,是一种理想的环境半导体材料。国外对于环境半导体硅化合物作为光电子材料的研究,欧洲最先开始,英国和德国在 2000 年以前就合作开展了一个叫 ESPRIT 的有关环境硅化合物半导体材料的研究计划。日本于 1996 年开始这方面的研究,并于 1998 开始,每年都召开有关环境半导体材料的学术会议,并与英国开展合作研究。1997 年 M.Riffel 研究了 Mg2Si 的热电性质,并分析了氧化物对热电性能的影响。 在国内,目前对半导体 Mg2Si 材料的研究较少,中国科学院固体物理所秦晓英课题组 [6]对纳米晶 Mg2Si 金属间化物块体材料进行了研究;武汉理工大学姜洪义等人 [7]就采用粉末冶金法将银掺杂入 Mg2Si 中,将 n-型 Mg2Si 转变为 P-型 Mg2Si 材料,并对它的热电性质进行了研究。研究发现,随着掺杂量的增加,材料的赛贝克系数和电导率均增加,当银的摩尔分数为 1.5×10-3 时,Mg 2Si 的 Z 和 ZT 值均最大。在 Mg2Si 半导体材料制备技术方面,通常采用粉末冶金法和熔融法来制备块体贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页Mg2Si 半导体材料,采用热蒸发方法,分子束外延等方法制备半导体 Mg2Si 薄膜材料,而采用具有工业化优势的磁控溅射技术来制备半导体 Mg2Si 薄膜材料却显有先例。1.1.3 Mg2Si 的计算机模拟人类研究材料加工、制备的传统方法主要是通过实验摸索来研究各种工艺条件下材料性能的变化,然后通过比较材料的性能来选择合适的工艺参数。在计算机技术飞速发展的今天,继续采用传统实验研究方法研究材料科学就显得力不从心了,此时,计算机模拟技术应运而生,以其特有的优势推动了材料科学的发展。随着材料科学研究继续深入,研究体系越来越复杂,传统理论研究中解析、演绎、推导的方法已经不敷应用,试验研究方法来制备和加工材料的许多缺点:如周期长、代价高、盲目性大等等,使传统实验研究与计算机模拟渐行渐远。通常实验研究过程中仪器设备的局限性也限制了对实验数据的精确求解,而且由于实验数据大,不通过特定物理模型下的计算机处理,也很难得出有价值的实验结果。所以从理论和模拟上预测材料的性能及研究制备参数对材料的影响得到了重视 [8]。计算机模拟相对于传统理论研究方法具有突出的特点: 计算机模拟更适合研究复杂体系。同时允许对模型和试验进行比较,从而提供了一个评估模型正确与否的手段。 计算机模拟比传统实验研究省钱省时。传统实验设备投资大,建设周期长,且准备实验也费时、费人、费力。而用计算机来模拟就简单的多。 计算机模拟比传统实验研究具有更大的自由度和灵活性,它不存在系统误差和测量误差,没有测试探头的干扰问题,可以任意选取参数。 计算机模拟也可以涉足传统实验研究很困难甚至不能进行的场合。因此,由于实验模拟研究存在的困难,引入计算机模拟就显得非常必要。1.1.4 分子动力学模拟方法分子动力学是一套分子模拟方法,该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动,在由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本,从而计算体系的构型积分,并且以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。分子动力学(MD)方法是 20 世纪 50 年代后期由 B.J.Alder 和 T.E.Wainwright 创造发展起来的。表 1.1 所示的是分子动力学方法的发展历程 [9]。1957 年,Alder 和认厄inwright 发表了第一篇探讨分子动力学的论文,研究了硬球模型系统的固态和液态的贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页相变过程。1964 年,Rahman 把 MD 方法应用到 Lennard-Jones 相互作用体系中,并在模拟中采用在每一微小时间步长内计算每个粒子所受到的作用力的方法,称为 step by step 的程序步骤,以研究体系的时间演化。2000 年,吕华威 [10]采用 Stillinger-Webe二体和三体作用势,模拟了衬底温度为 1000K 时团簇沉积 C-N 薄膜的过程。郭玉宝等人使用 Materials Studio 程序包中的 CVFF 力场,对甘氨酸分子在单壁纳米管中的吸附和扩散行为进行了分子动力学模拟,并对甘氨酸分子在单臂纳米碳管中的构象和能量进行了优化。模拟计算结果表明:甘氨酸在纳米碳管中的构象发生了伸缩和扭转,这种构象的改变将会导致氨基酸生物性能的改变;纳米碳管对氨基酸分子具有较强的吸附作用,其中纳米碳管和氨基酸分子之间的 π-π 相互作用增加了纳米碳管对氨基酸的吸附能力。表 1.1 分子动力学方法发展一览表分子动力学研究显示,团簇初始能量和衬底温度对团簇在衬底表面的扩散迁移能力以及所沉积薄膜的结构有巨大影响。从而使得分子动力学方法对实际体系的应用成为可能,至今为止分子动力学可模拟的体系可达到 1 万到 100 万个原子,可以模拟的尺度可达到 10ns。这些工作的不断深入开展必将对沉积高质量的薄膜有着深远的意义。年代 创立者 创造内容(MD 分类名称)1957 年 Alder&Wainwright 刚性球 MD 方法1964 年 Rahman 质点系 MD 方法1971 年 Rahman&Stillinger 刚性系统 MD 方法1972 年 Lees&Edwards 平衡系统 MD 方法1977 年 Rychaert et al 约束系 MD 方法1980 年 Andersen,Parrinello&Rahman 恒压 MD 方法1983 年 Gillan&Dixon 非平衡系统 MD 方法1984 年 Nose 恒温 MD 方法1985 年 Car&Parrinello 第一性原理 MD 方法(CP)1991 年 Cagin&Pettitt 巨正则系统 MD 方法贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页1.2 磁控溅射技术磁控溅射(Magnetron Sputtering,MS )是一种物理沉积方法,它的基本原理是在电场的作用下使电子加速飞向基片,并与惰性气体原子发生碰撞,电离出大量离子和电子,在电子飞向基片的同时,惰性气体离子在电场的作用下加速轰击靶材,溅射出大量靶材原子,呈中性的原子(或分子)沉积在基片上,形成薄膜。作为一种薄膜的物理气相沉积方法,它的主要特点包括 [11]: 它是一种低成本且大面积使用的薄膜制备技术,在工业上有很高的应用价值。 溅射的靶材可以是极难熔融的材料,可以方便地应用于高熔点物质的溅射和薄膜制备。 能够在低温下沉积薄膜,并且薄膜的生长速率很高,最高可达 12µm/min。 可通过调整溅射粒子的动能来控制薄膜的微结构,改善薄膜的制备性能。 由于沉积到基片上的溅射粒子能量比较高,所形成的纳米材料附着力大,薄膜的组织更致密,有助于改善薄膜对于复杂形状表面的覆盖能力,降低薄膜表面的粗糙度。1.3 薄膜材料研究的意义飞速发展的固态高科技技术产业(集成电路产业、磁记录材料和器件产业、固体发光和激光器件产业等) ,使薄膜科学和薄膜技术越来越受到重视 [12]。薄膜材料科学作为现代材料科学各分支中发展最为迅速的原因有很多,总结起来可包含三个方面: 现代微电子科学技术的发展打破了以往体材料垄断市场的局面,过去需要众多材料组合才能实现的功能,现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路板就可以完成,实现器件和系统微型化最为有效的技术手段正是薄膜技术。 器件微型化在保持器件原有功能的基础上使现有功能得到强化,随着器件尺寸减小到接近微观尺度,薄膜材料器件将显示出更多全新的物理现象,所以薄膜技术作为器件微型化的关键技术是制备具有新型功能器件的有效手段之一。 每种材料的性能都存在局限,而薄膜技术则可将各种不同性能的材料灵活地复合在一起,构成具有优异特性的复杂材料体系,发挥各种材料独特的优势,避免了单一材料的某些局限性。由于薄膜材料的研究和开发对产业生产贡献日益增大,薄膜科学研究成果转化为
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