重构表面碰撞过程

1、 C与Si重构表面碰撞过程的 分子动力学模拟辅导老师：江建军课题组成员：储小丽 李枫 黄卫锋 范长鑫 褚光 金向峰董凯锋 张春云 周旋 实验目的：通过分子动力学方法和多体势研究荷能C原子与Si重构表面碰撞动力学过程中如社C原子能量随时间的变化情况。CCMS计算材料学课程设计 1 引言n目前SiC外延主要采用化学气相沉积（CVD），液相外延（MBE）等技术。高温除了引进杂质的再分布外，在降温过程当中将产生热应力和失配缺陷，严重影响电子器件的应用。而等离子体辅助CVD、超声射流分子束等技术则可以有效降低衬底温度。n这些技术当中，入射C原子能量的引入是温度降低的关键，荷能原子与薄膜表面相互作用的物理

2、过程对于材料控制的微观结构和微量化学比起着重要的作用。nC,Si原子的相互作用的Tersoff势形式为：n E 0.5 (1)n = ( ) ( ) ( ) (2) n且，bij=(1+ ) , = ( ) g( ) (3)n式中,E是体系的总势能 , Vij是i,j原子间的成键能量 。bij被称为键序函数,反映原子间的三体相互作用;ni为势的参数值,由于该势包含了键序的影响,因此能正确描述C、Si等半导体中的原子间的作用。 2 计算模型iij ininij/2ni 1ij,ck i jfikrikijkijVijVcfijrijaRfijrijbAfijr2 计算模型（续）n首先用该势计算了

3、Si(001)表面的弛豫和重构特性,得到了表面二聚化键长约0.24nm,表面层原子平均下降0.06nm,与一些实验和理论计算数据符合很好。然后用该势拟了不同能量C原子与Si(001)重构表面的相互作用。计算中Si衬底由8层,每层32个Si原子组成。整个衬底分为3部分。第1部分是底部2层,在整个动力学过程中保持Si原子固定;第2部分是表面2层,完全受Tersoff势决定的力场作用;第3部分是中间4层,其原子用速度标定法,使衬底温度恒定。体系动力学方程的数值积分用LeapFrog算法实现，计算步长0.5fs。 3模拟结果与分析 n具有一定能量的C原子入射衬底表面,只有失去垂直表面向外动量的原子能够

4、停留在表面上与衬底原子成键,否则就会被散射再进入空间,这与入射粒子的性质、能量以及基底的性质、温度有关。为了清楚地了解C原子与Si表面相互作用的动力学过程及能量转化,选取图1所示的a、b两处不同入射位置,模拟了典型碰撞过程中入射原子能量的变化,对其与Si原子的作用机理进行了分析。 模拟结果与分析（续）n固定C原子的入射能量为4eV,在衬底a,b位置上方0.2nm处垂直入射,每个模拟事件从原子与表面相互开始记录至2ps,更长的记录时间观察不到明显的结构变化。C原子在位置a和衬底发生作用后,吸附在衬底表面,与Si原子稳定成键。n图2给出了从原子入射到成键过程的原子瞬时构型图。图3为成键过程中C原子

5、的能量随时间的变化情况。 图2 与 图3 图3 分析n0 时刻是c原子进入衬底的作用区域时间范围，C原子能量恒定。n 之后C原子能量下降，15fs之后c原子没有足够能量与原子继续接近。nSi原子由 时刻起，Si原子1、2由于热效应和与C原子横向作用的影响,振动加剧,促使1,2原子间二聚键被打开,同时C原子由于受到原子1、2不平衡力矩的作用横向能量开始增加,出现在1、2势阱中的振荡运动,振动沿(1,1,0)方向 。1t1t2t 图3分析（续）nt3=86fs时刻完成一振荡周期。n当到达t4=130fs时,C原子沿(-1,1,0)方向的横向动量达到一极大值,越过1、2原子间势垒作用徙动到1、3原子

6、的作用势阱,能量进一步下降,最后与原子2稳定成键,键长为0.179nm。 入射C原子与衬底原子2的距离随时间变化的关系C-2的距离随时间逐渐减小,最后在0.179nm处达到平衡,考虑到实际SiC薄膜生长应为多个C、Si粒子作用过程,此值与理论上C-Si键长0.187nm偏差不大C原子与衬底发生散射过程时能量随时间的变化 n在t1=48fs时刻超C原子与Si原子出现作用,由于入射C原子与表面层Si原子距离较远,作用较为微弱,C原子直接穿过4个表面二聚的中心,深入衬底。n到t2=62fs时,C原子与次表面层Si原子碰撞损失大部分能量,Si-Si键受到压缩,此时在Si原子的斥力作用下,C原子将离开衬

7、底,能量开始加。nt3=98fs时刻,纵向能量达到最大值,由于在不平衡力矩作用下,横向能量有所增加,使得总能量出现增加的过程,此时C原子有足够剩余的能量离开衬底,随C原子逐渐离开Si原子的作用范围,横向能量逐渐减小,最终C原子反弹离开衬底,能量不再变化。 C原子高度随时间的变化n相同能量的荷能C原子在不同Si衬底位置入射时会产生不同的物理过程,主要原因在于C原子入射位置对应Si原子表面的局部构型使成键过程所需C原子能量的不同。在入射位置a处,C原子易于被Si原子吸附,与其成键,这是由于位置a二聚体附近,C原子的入射易造成二聚键的断裂,使Si原子出现悬键,易和C原子结合。而碰撞位置b位于二聚体之间的区域,当C原子到达表面时,不易和Si原子发生作用,可深入内部与Si原子作用,所需的能量就大了许多。如在入射位置b,将C原子的能量改为8eV,其它条件不变的情况下,发现作用过程变为成键过程。 4 结论n荷能C原子的能量损失主要发生在与Si原子作用开始后极短的时间后,这主要由晶格内光频声子的振动频率所决定。nC原子入射位置对应到达衬底表面后Si原子的表面构型,产生不同的作用过程。nC原子能量的增加有助