一些重要表面過程的動力學Monte Carlo模擬研究.pdf

1、本論文用計算機模擬研究了低維納米材料和納米結構生長過程中的一些重要表面過程。采用動力學Monte Carlo模擬方法，我們對一維量子線和二維薄膜的生長過程以及金屬表面的一些重要的物理及化學反應過程進行了系統(tǒng)地研究。本研究所得的結果不但增進了人們從原子尺度上對低維納米材料和納米結構的生長過程以及金屬表面的一些重要的物理及化學反應過程的理解，而且預言了許多在實驗上還沒有被人們發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象。我們相信，這些研究成果對于低維納米材料和納米結構的

2、生長及其制造工藝的控制都十分重要，這方面的基礎研究成果將促進新一代微電子和光電子工業(yè)技術的發(fā)展。 本論文主要有如下三點創(chuàng)新： ■系統(tǒng)研究了三種重要一維量子線(兩種金屬量子線和一種有機分子量子線)的表面生長過程，揭示了這類量子線生長的細致的物理過程；預言了這三種一維量子線的最佳生長條件，例如：最佳生長溫度、最佳沉積速率等；同時預言了一些在實驗上還沒有被人們發(fā)現(xiàn)的新物理現(xiàn)象，幫助人們進一步理解一維量子線的表面生長過程。我們采

3、用動力學Monte Carlo模擬方法對一維Fe金屬量子線在臺階Cu(111)表面、一維Ti金屬量子線在刻有規(guī)則條紋圖案的單氫化金剛石(001)表面以及超長一維2,6-萘二甲酸有機超分子量子線在臺階Ag(110)表面自主裝生長過程進行了系統(tǒng)地研究，成功地解釋了實驗現(xiàn)象。通過模擬不同生長條件下一維量子線的生長過程，我們預言了這三種一維量子線在表面生長的最佳條件，例如：最佳生長溫度、最佳沉積速率等。同時，我們預言了一些在實驗上沒有被人們發(fā)現(xiàn)

4、的新物理現(xiàn)象，這對人們進一步認識一維量子線的表面生長過程及其物理機制具有重要意義。 ■系統(tǒng)研究了一些金屬表面重要的物理、化學發(fā)應過程，闡明了這類反應的物理和化學機制；預言了生長溫度對Au-Ni表面合金化過程的影響以及不同生長溫度下的表面合金化機制；系統(tǒng)研究了乙烯分子在臺階Ni(111)表面的分解過程，同時預言了表面臺階對乙烯分子在臺階Ni(111)表面分解的斷鍵選擇機制的影響。 我們采用動力學Monte Carlo模擬方

5、法對Au-Ni表面合金化過程以及乙烯氣體在臺階Ni(111)表面的分解過程進行了系統(tǒng)地研究，闡明了這類反應的物理和化學機制。同時，我們還預言在低溫區(qū)域，沉積在Ni(110)表面的Au原子不能和表面Ni原子發(fā)生置換反應形成合金。隨著溫度的升高，Au原子開始與表面Ni原子發(fā)生置換反應形成合金，此過程采用雙原子置換機制。在高溫區(qū)域，Au-Ni表面合金化過程由雙原子機制轉(zhuǎn)變成單原子置換機制。另外，我們還發(fā)現(xiàn)表面臺階位置對于乙烯氣體在臺階Ni(1

6、11)表面分解的斷鍵選擇機制有很大影響。通過Ag原子覆蓋金屬Ni表面的臺階位置，我們就可以阻礙乙烯分子通過C-C鍵斷裂的方式分解，從而使得乙烯分子趨向通過C-H鍵斷裂的方式分解。 ■系統(tǒng)研究了兩種重要二維薄膜材料的生長過程，給出了實驗現(xiàn)象背后所存在的物理機理；預言了不同生長溫度下氫化非晶硅薄膜(α-Si：H)生長的表面平滑機制；系統(tǒng)研究了金屬有機物氣相外延(MOVPE)生長過程中擴散原子沿臺階邊緣的擴散速率、臺階長度以及由V形溝

7、道側面流向V形溝道之間山脊區(qū)域的側向原子流大小對非平板臺階表面臺階調(diào)整機制的影響。我們采用動力學Monte Carlo模擬方法對氫化非晶硅薄膜的生長過程以及金屬有機物氣相外延生長過程中非平板臺階表面的臺階調(diào)整機制進行了系統(tǒng)研究，給出了實驗現(xiàn)象背后所存在的物理機理。我們發(fā)現(xiàn)氫化非晶硅薄膜的表面形貌隨生長溫度的升高將會發(fā)生了粗糙一光滑一粗糙的轉(zhuǎn)變，而且轉(zhuǎn)變溫度隨沉積速率的增加而升高。同時，我們預言了不同生長溫度下氫化非晶硅薄膜的表面平滑機制