沉积原子动能对失配位错成核时原子团挤出的影响

    摘 要：本文运用分子动力学模拟方法，研究了在外延铝簿膜中单个入射原子动能对失配位错成核时原子团挤出的影响。模拟结果显示：当沉积原子动能为0.14eV时，在原子动能和原子压力的共同作用下，倒正四面体构型原子团在紧挨着沉积原子边缘被挤出；当沉积原子动能大于1.4eV时，在原子动能的影响下，倒正四面体构型原子团能被挤出。位错形核后，失配位错也随之形成。

    关键词：沉积原子；动能；失配位错；分子动力学

    0 引言

    在动力学条件对失配位错形成影响的研究中，Kang[1]、周耐根[2]和潘华清[3]等模拟研究了沉积原子入射动能方面对薄膜生长的影响，他们发现随入射动能的增加，增原子的表面扩散能力增大，导致薄膜内部缺陷密度下降，结构趋于完整。这些研究工作，使人们关于沉积原子入射动能对薄膜结构和薄膜中位错形成影响的认识有所提高。为了更详细地了解沉积原子入射动能对薄膜中失配位错形成的影响，本文运用分子动力学模拟方法，详细研究了在外延铝簿膜中单个入射原子动能对失配位错成核时原子团挤出的影响。

    1 模拟方法

    采用在预置了一定应变的铝衬底上设置同质外延层，这样的体系中外延晶体和衬底之间只有几何结构上的失配而无化学交互作用，有利于研究失配位错的形成。外延膜生长面为{111}，模拟胞构建设置如图1所示。图中由下至上以不同的灰度分别表示固定层、恒温层和自由层[4]。

    此文中模拟胞的尺寸设定为：18d110×30d112×nzd111 （nz为整数，dhkl为（hkl）面间距）。在模拟过程中，入射原子从薄膜上方可以忽略原子间相互作用的位置垂直入射到薄膜表面中心的FCC位置上，入射动能分别为0.014eV、0.14eV、1.4eV、7 eV和10eV。在所有实验中，不同动能的沉积原子都是入射在相同的位置，以保证模拟研究在相同的条件下进行，使产生的模拟结果有可比较性和可分析性。

    2 模拟结果与讨论

    图2给出了不同动能（Ek）的沉积原子入射到外延薄膜表面的FCC位置上，各体系在不同时刻（T）的原子结构图。从图2（a）中可以看出：动能为0.014eV的沉积原子入射在表面的FCC位置的情况下，体系在第800ps时，外延铝薄膜表面仍然保持原子级平整。沉积原子入射到表面之后，成为表面吸附原子。它能够克服原子间的势垒，在薄膜表面随机地迁移，具有较大的运动特性，但还不足以在超过临界厚度的外延铝膜中诱发形成失配位错。

    图2（b）是动能为0.14eV的沉积原子入射在表面的FCC位置的情况下，外延薄膜中出现失配位错（T= 220ps）时，体系的原子结构图。从图中可以发现沉积原子入射到薄膜表面后，随着沉积原子在薄膜表面的不断迁移，有一个正三角形构型的凸台在其落点处并紧挨着沉积原子由薄膜内部向上升起。在凸台上升的同时，失配位错处于成核过程中。可见，入射原子动能为0.14eV时，由于外延薄膜表面受到了原子压力和原子动能的共同作用，会有一部分基体内部原子被挤出来，在表面形成一个正三角形构型的凸台，同时，在外延薄膜内部形成失配位错。通过和图2（a）比较可知：随着沉积原子入射速率的增加，光滑的薄膜表面变成了带有正三角形构型凸台的非平整表面，即沉积原子对薄膜结构完整性的影响增大。

    图2（c）是动能为1.4eV的沉积原子入射在表面的FCC位置的情况下，外延薄膜中出现失配位错（T= 100ps）时，体系的全局图。它显示了沉积原子入射到薄膜表面后，一个正三角形构型凸台形成在入射原子最初的落点区域，并且远离入射原子。沉积原子入射到薄膜表面后，由于能量传递作用，使得沉积原子落点周围的表面原子振动加剧。当沉积原子的入射动能是1.4eV时，由于相邻原子间能量传递的作用，故沉积原子落点周围的表面原子变得非常活跃，振动明显加剧，振幅也变大。此种情况下，落点周围的表面原子不再需要入射原子压力的作用，仅需得到从入射原子传递过来的能量就足以摆脱其他原子对它们的束缚，而被挤出薄膜表面。在凸台上升的同时，失配位错也处于成核过程中。图2（d）中沉积原子的入射动能是10eV，也只需原子动能的影响，就会使薄膜表面产生凸台，体系内部形成失配位错。

    图2不同入射动能（Ek）的沉积原子入射到外延薄膜表面的FCC位置上，各体系在某一时刻（T）的原子结构。 （a） Ek=0.014eV，T= 800ps；（b） Ek=0.14eV，T= 220ps；（c） Ek=1.4eV，T= 100ps；（d） Ek=10eV，T= 61ps

    失配位错形成的动力学条件本质上是一种能够打破力学平衡的结构微扰，沉积原子入射至薄膜表面后，薄膜表面原子有强烈的倾向与其相互作用，使其周围就存在不均匀力场，所以薄膜内部原子从紧贴着沉积原子旁边的地方挤出就更容易。通过分子动力学模拟所得到的有关外延薄膜局部表面形貌的变化能反映其内部结构变化的情况。

    3 结论

    以上研究表明，在外延薄膜中的失配位错成核时，随着原子入射动能的增加，有二种不同作用方式使倒正四面体构型原子团被挤出。当沉积原子动能为0.14eV时，在原子动能和原子压力的共同作用下，倒正四面体构型原子团在紧挨着沉积原子边缘被挤出；当沉积原子动能大于1.4eV时，在原子动能的影响下，倒正四面体构型原子团能被挤出。位错形核后，失配位错也随之形成。

    参考文献：

    [1] Kang W J， Hwang J H. Molecular Dynamics Simulations of Energetic Aluminum Cluster Deposition [J]. Computational Materials Science， 2002， 23（1-4）： 105-114.

    [2] 周耐根， 周浪. 外延生长薄膜中失配位错条件形成的分子动力学模拟研究[J]. 物理学报， 2005， 54（7）： 3278-3283.

    [3] 潘华清， 周耐根， 潘展， 周浪. FCC晶体外延薄膜中失配位错形成的动力学条件[J]. 南昌大学学报（理科版）， 2007， 37（2）： 177-180.

    [4] 黄俊. 沉积原子入射动能对失配位错形成的研究[J]. 科技经济市场， 2011， 6：29-30.