銅銀和氮化鈦薄膜沉積過程及納米壓入變形行為的MD模擬.pdf

1、薄膜的結(jié)構(gòu)與性能取決于其制備過程,而氣相沉積是主要的制備方法。另外,薄膜沉積也是探索特異成分與結(jié)構(gòu)的物質(zhì)的有力手段。另一方面,薄膜的力學(xué)性能是制約其服役范圍及壽命的重要因素,納米壓痕技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種薄膜力學(xué)性能的測(cè)試。另外,納米壓痕條件下薄膜的變形可極其微小,亦使其成為研究薄膜微觀變形行為的有力手段。鑒于當(dāng)前微小尺度下實(shí)驗(yàn)與理論研究的不足,本文開展了薄膜沉積與納米壓痕微觀變形行為的原子模擬研究。
　　將薄膜沉積簡(jiǎn)化為原子沉積過程

2、,構(gòu)建了相應(yīng)的由基底、入射原子與虛擬墻組成的分子動(dòng)力學(xué)(Molecular dynamics, MD)模型。通過在較小原子間距內(nèi)平滑連接Ziegler-Biersack-Littmark排斥勢(shì)改進(jìn)了Cu-Ag體系的EAM勢(shì),構(gòu)建了Ti-N體系的2NN MEAM勢(shì),使其適于描述荷能原子沉積過程中的原子碰撞過程。在此基礎(chǔ)上,模擬了基底溫度T=300 K、入射原子動(dòng)能Ei=8 eV的條件下Cu、Ag薄膜在Ag、Cu基底上的沉積,以及T=300

3、-700 K、Ei=0.5-10 eV條件下TiN膜在TiN(001)基底上的沉積。
　　結(jié)果表明,Cu、Ag表面能的差異導(dǎo)致沉積的首層Ag在Cu基底層狀生長(zhǎng)、沉積的首層Cu在Ag基底島狀生長(zhǎng),覆蓋度達(dá)到10 ML時(shí),除Cu/Ag(001)外其它薄膜保持外延生長(zhǎng)。Ag、Cu的不互溶性使界面處的元素混合甚微,Ag更低的表面能、更強(qiáng)的遷移能力與(001)原子面更低的堆垛密度,使 Ag(001)基底原子更易擴(kuò)散到Cu膜中更遠(yuǎn)的位置。Ag

4、/Cu(111)與Cu/Ag(111)的界面都展現(xiàn)(9×9)六邊形的 moiré花樣,界面處 Cu原子向遠(yuǎn)離 Ag層一側(cè)的位移引起界面的褶皺;Ag/Cu(001)界面形成 c(10×2)超結(jié)構(gòu),而 Cu/Ag(001)界面附近部分位錯(cuò)開動(dòng),形成貫穿薄膜的層錯(cuò),引起界面顯著的彎曲。
　　入射N原子與TiN(001)表面撞擊時(shí),兩者間能量傳遞的不同狀態(tài)可引起入射原子的吸附與反射、表面原子的濺射。反射與濺射隨Ei的增大而加劇,導(dǎo)致N在T

5、iN(001)表面的吸附系數(shù)隨之減小。不同Ei下入射Ti原子在TiN(001)表面的吸附系數(shù)基本等于1。T對(duì)吸附行為的影響不大。TiN薄膜在TiN(001)表面層狀生長(zhǎng),TiN3是最小的外延島。薄膜中僅存在 N、Ti空位,其濃度隨 T、Ei的增大而減小,這是熱擴(kuò)散與動(dòng)能輔助的非熱擴(kuò)散增強(qiáng)的結(jié)果。為了獲得化學(xué)計(jì)量比的TiN薄膜,入射N:Ti原子流比應(yīng)大于1,并隨Ei的增大而增大。
　　基于虛擬冪函數(shù)球壓頭模型構(gòu)建了薄膜納米壓痕的分子

6、靜力學(xué)(Molecular statics, MS)模型,討論了模型中壓頭半徑R、剛性常數(shù)k對(duì)納米壓痕模擬結(jié)果的影響。結(jié)果表明,隨著k的增大,達(dá)到相同的名義壓入深度H所需迭代步數(shù)逐漸增大,接觸原子對(duì)壓頭的穿透深度 hpen逐漸減小到穩(wěn)定值。當(dāng) k較小時(shí),由H與載荷關(guān)系根據(jù)Hertz彈性表達(dá)式擬合得到的約化彈性模量Er將偏小,而使用考慮 hpen的平均壓入深度 h則可避免這種情況。納米壓痕過程中材料變形的局部性特征使得用 H來衡量彈性變形

7、程度比用壓痕應(yīng)變更合理,不同 R下Er擬合區(qū)間上限應(yīng)取作相同的H,如果取作初始位錯(cuò)發(fā)射的臨界深度將引起Er隨R的減小而減小的虛假的尺寸效應(yīng)。
　　模擬了Cu(111)和Ag(111)薄膜的納米壓痕過程。結(jié)果表明加載時(shí)的載荷突降是由多位錯(cuò)發(fā)射與滑移引起的;卸載時(shí)由高能態(tài)層錯(cuò)引起的原子應(yīng)力使部分位錯(cuò)反向滑移,導(dǎo)致可逆塑性。當(dāng)交滑移形成(111)面上位錯(cuò)后,(111)薄膜將產(chǎn)生不可逆塑性。不同于Cu(111)膜初始位錯(cuò)發(fā)射形成V形半位錯(cuò)

8、環(huán),Ag(111)膜的初始位錯(cuò)發(fā)射形成四面體不動(dòng)鎖,后續(xù)變形由非平行于被壓表面的{111}滑移面上發(fā)射的位錯(cuò)所主導(dǎo);平行于表面的孿晶界(Twin boundary, TB)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),從而強(qiáng)化了Ag膜;當(dāng)TB接近表面時(shí),薄膜變形逐漸被(111)上位錯(cuò)主導(dǎo);當(dāng)TB距離表面很近時(shí),TB成為位錯(cuò)源,初始位錯(cuò)組態(tài)變?yōu)?111)面上的可動(dòng)位錯(cuò),從而降低了發(fā)射載荷。
　　提出了邊界補(bǔ)償投影多邊形法,該法計(jì)算的面積是物理接觸面積。不同于實(shí)驗(yàn)