原子島外延生長的相場法數(shù)值模擬.pdf

1、對于凝固體系而言,材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)的不同決定了材料擁有多樣的性質(zhì),因而在對材料的研制過程中其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的演化過程和最終結(jié)果會(huì)直接影響材料的性能,所以對于材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的研究越來越受到廣大科研材料工作者的重視。本文對晶體外延生長的初期形貌的微觀組織過程進(jìn)行研究,介紹了目前主要的幾種使用最為廣泛的凝固微觀組織模擬方法。使用相場法提出原子島外延生長的相場模型,將原子表面基本運(yùn)動(dòng)和原子尺度的結(jié)構(gòu)信息以更簡單、集中的方式引入連續(xù)性方程,

2、并通過有限差分法對相場控制方程進(jìn)行求解,利用FORTRAN計(jì)算語言對相場方程的數(shù)值解進(jìn)行了設(shè)計(jì)和編程,使用MPI通用語言設(shè)計(jì)相場程序?qū)崿F(xiàn)了計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)并行化計(jì)算,外延生長的大范圍形貌預(yù)測和相關(guān)動(dòng)力學(xué)標(biāo)度規(guī)律的建立,計(jì)算模擬了Fe-on-Fe(001)的晶體外延生長,動(dòng)態(tài)的顯示了其島生長的連續(xù)演化過程,以及在不同的控制條件下的生長方式,并將結(jié)果于實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果相對照,研究了純物質(zhì)島的生長機(jī)理。具體來說包括以下方面:
　　 (a)說明

3、了現(xiàn)代制備薄膜材料在實(shí)際使用中的重要用途,分析了晶體外延生長制備薄膜的物理機(jī)制并介紹了實(shí)驗(yàn)室制備方法和原理。分別介紹了蒙特卡洛,水平設(shè)置法,前面追蹤法等幾個(gè)當(dāng)前最為熱門微觀組織模擬方法,分析了各個(gè)方法的特點(diǎn)和不足,提出了使用相場模型來模擬晶體外延生長的優(yōu)點(diǎn)和可行性。
　　 (b)推導(dǎo)了基于金茲堡.朗道理論得出的相場方程,并基于晶體外延生長的基本物理過程構(gòu)建了純物質(zhì)外延島生長的相場模型。使用有限差分法將相場方程的離散化到均勻的計(jì)算

4、網(wǎng)格來求解,并編譯成為FORTRAN計(jì)算程序,利用MPI將數(shù)值計(jì)算程序并行化。
　　 (c)詳細(xì)介紹了相場控制的參數(shù),研究了不同溫度下獲相場轉(zhuǎn)換區(qū)域?qū)挾?網(wǎng)格長度,時(shí)間步長,毛細(xì)長度,成核系數(shù),島邊界原子吸附的特性時(shí)間,這些相場模型的關(guān)鍵參數(shù)對最終結(jié)果的影響。通過理論推導(dǎo)和實(shí)際計(jì)算,我們得到各參數(shù)的取值范圍:網(wǎng)格長度隨溫度增加可以適當(dāng)?shù)脑龃?確定了時(shí)間步長的最大取值,了解了特性時(shí)間和成核系數(shù)之間的關(guān)系,在溫度為293K～529K

5、之間時(shí),相場轉(zhuǎn)換區(qū)域?qū)挾确秶?～10a這樣我們能夠得到最準(zhǔn)確的解。
　　 (d)用相場法對晶體外延島的生長過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并將結(jié)果用程序?qū)崿F(xiàn)可視化,繪出外延島生長的形貌圖像,展示其在不同溫度下的形貌變化,以闡明其物理機(jī)制。研究外界條件和相場參數(shù)對該微觀體系的影響:隨著溫度升高襯底上長出島的密度減少,而單個(gè)島的面積增大,最終的覆蓋率不受溫度的影響。
　　 (c)優(yōu)化了晶體外延島的生長的相場模型,引入水平函數(shù)調(diào)整方法中的