基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，按如下步骤进行：一、在原子力显微镜下，采用硅夹具将微纳结构的硅基板夹住；二、用激光对硅基板的悬空端照射数秒，观察硅基板的硅基表面形态并测量相对应的尺寸；三、在相场模型下模拟基于激光照射下的硅原子扩散行为和纳米结构硅基表面形态的演变过程。

Based on phase field model, a method for controlling surface morphology of silicon substrate by laser is proposed

The invention discloses a model using laser controlled silicon surface morphology of the phase field method is based on the following steps: first, the atomic force microscope, using silicon micro nano silicon substrate clamping fixture structure; two, on silicon substrate by laser irradiation the free end of a few seconds, the observation of the silicon substrate silicon surface morphology measurement of the corresponding size; three, in phase field model simulation based on the evolution process of silicon atom laser irradiation and diffusion behavior of nanostructured silicon surface morphology.

【技术实现步骤摘要】
基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法
本专利技术属于纳米制造
，具体涉及一种基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法。
技术介绍
近年来，各个学科领域都坚持不懈的尝试着各种新的科学技术来设计和制造纳米结构硅基表面形态，并将其应用到各种微型机械装置当中，例如：传感器、谐振器等。截止目前，对于如何控制纳米结构硅基表面形态的研究仍然是一片空白。国内外的研究只是简单的描述了热处理作用下硅原子发生热扩散运动，从而形成硅基表面形态。近年来，国内外学者致力于利用数学模型来分析和设计纳米结构硅基表面形态，但是早期的研究都是基于一维和二维的数学模型，这对理解硅基表面形态是有局限性的。相比传统的一维和二维的数学模型，本专利技术所提出来的phase-fieldmodel(相场模型)不需要显式跟踪界面移动的位置，因此大大降低了计算的复杂性。
技术实现思路
基于上述现状，本专利技术提出了一种基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法。本专利技术包括实验与仿真两部分，具体采用的技术方案如下：基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，按如下步骤进行：一、在AFM(原子力显微镜)下，用硅夹具将微纳结构的硅基板夹住；二、用激光对硅基板的悬空端照射数秒如10s，观察硅基板的硅基表面形态并测量相对应的尺寸；三、在Phase-filedmodel(相场模型)下模拟基于激光照射下的硅原子扩散行为和纳米结构硅基表面形态的演变过程。步骤一，硅夹具主要用于固定硅基板。所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，步骤二，激光的功率P为75mW，波长λ为532nm。所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，步骤三，系统的相场模型包含多种能量和动力。所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，能量包括热能、化学能、表面能等。所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，动力学包括热扩散、迁移等过程。所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，步骤三，系统模型的构建过程：在phase-fieldmodel(相场模型)中存在一种成分相硅，定义c为硅原子的体积分数，c(x,y,z,t)为一个在空间上和时间上的一个相场参数，通过测量c的体积分数在不同时间和不同位置上的数据变化，从而模拟出硅基表面原子的扩散行为和硅基表面形态的演变过程，根据Cahn-Hilliard模型，系统的自由能方程为：f(c)表示的是驱动硅原子发生扩散的化学能量变化；表示的是系统表面能量变化；硅基表面原子发生定向移动的驱动力为Fd＝-▽u，其中u表示的是化学势，由u＝δG/δc决定，在激光照射的过程中，将硅基置于有梯度变化的温度场时，硅原子的通量可以表示为Jc＝-εMc▽T，M＝Da/2kβT。D为热扩散系数，kβ为波尔兹曼系数，a为界面面积。因此，硅原子的净通量为J＝-M▽u-εM，定义硅原子的迁移率为：对于本系统模型，相场变量通过Cahn-Hilliard非线性扩散方程决定，并结合质量守恒关系得到如下控制方程：其中，u1＝[4c3-6c2+2c-ch2▽2c+αcT]，由于激光照射产生的温度场扩散方程可通过如下方程求解：上式中，β为材料密度，λ表示比热，k表示导热系数。β表示的是热源的吸收系数，R是反射率，I0为激光强度。基于上述数学模型，在仿真软件中进行仿真。与现有技术相比，本专利技术具有如下特点：1、本专利技术提出了实验研究与仿真模拟相结合的方法对激光照射下的硅基表面形态进行研究。2、本专利技术所用到的数学模型包含多种能量学和运动学，能有效地从能量角度来研究硅基表面形态的演变过程。3、本专利技术所用到的数学模型不需要显示跟踪界面的位置，大大降低了计算的复杂性。附图说明图1为纳米结构硅基表面形态成形机理的简易示意图。图2为实验装置下纳米结构硅基表面形态的简易示意图。图3为phase-fieldmodel(相场模型)中包含的能量和运动的简易示意图。图4A、4B、4C为硅基表面形态变化图。图5是实验技术下的硅基表面形态。图6是仿真技术下的硅基表面形态。具体实施方式下面结合附图对本专利技术优选实施例进行详细说明。对硅基板的硅基表面成型机理进行简单的介绍。当激光(频率是呈高斯分布的)照射硅基板的左端时，硅基表面会发生温度的变化，从而导致硅原子发生热扩散，并沿着一个方向发生定向移动，使其处在一个稳定的状态，最终形成了如图1所示的硅基表面形态。在AFM(原子力显微镜)下搭建实验装置平台，主要包括微纳尺寸的硅夹具(硅制作的夹具，用于固定硅基板)和激光发射器。取一片微纳尺寸的硅基板，硅基板的右端夹在硅夹具上，用激光垂直照射硅基板的左端。实验装置如图2所示，实验具体步骤如下：步骤一，将激光的功率P调到75mW,波长λ调到532nm,对硅基板的左端进行照射。步骤二，激光照射硅基板10s。步骤三，取下硅基板放在AFM(原子力显微镜)下进行观察，观察到的图像如图2所示。本专利技术将提出一种三维phase-fieldmodel(相场模型)来模拟基于激光照射下硅原子的扩散行为和纳米结构硅基表面形态的演变过程。本专利技术的仿真模型中存在一种成分相硅，定义c为硅原子的体积分数。c(x,y,z,t)为一个在空间上和时间上的一个相场参数，通过测量c的体积分数在不同时间和不同位置上的数据变化，从而模拟出硅基表面原子的扩散行为和硅基表面形态的演变过程。如图3所示，当硅基板接受激光照射时，系统的相场模型包含多种能量学和多种动力学；所述的能量包括热能、化学能、表面能等。所述的动力学包括热扩散、迁移等过程。对于本系统的模型，根据Cahn-Hilliard模型，系统的自由能方程为：f(c)表示的是驱动硅原子发生扩散的化学能量变化。表示的是系统表面能量变化。硅基表面原子发生定向移动的驱动力为Fd＝-▽u，其中u表示的是化学势，由u＝δG/δc决定。在激光照射的过程中，将硅基板置于有梯度变化的温度场时，硅原子的通量可以表示为Jc＝-εMc▽T，M＝Da/2kβT。D为热扩散系数，kβ为波尔兹曼系数，a为界面面积。因此，硅原子的净通量为J＝-M▽u-εM。定义硅原子的迁移率为：对于本系统模型，相场变量通过Cahn-Hilliard非线性扩散方程决定，并结合质量守恒关系得到如下控制方程：其中，u1＝[4c3-6c2+2c-ch2▽2c+αcT]。由于激光照射产生的温度场扩散方程可通过如下方程求解：上式中，β为材料密度，λ表示比热，k表示导热系数。β表示的是热源的吸收系数，R是反射率，I0为激光强度。基于phase-fieldmodel(相场模型)，在仿真软件中建立10.0×30.0×1.5um3的硅基模型，其中，硅基模型的导热率是150W/m-K，其余部分的导热率为0W/m-K。在该模型中，相临热源之间的距离是10um，如图4A所示。经过5秒模拟后，硅基板上就会成形出硅基表面形态，具体如图4B所示。经过10秒后，成形的硅基表面形态将达到稳定状态，具体如图4C所示。图5是实验技术下的硅基表面形态，图6是仿真技术下的硅基表面形态，对比发现仿真的硅基表面形态和实验的硅基表面形态非常相似，验证了仿真的正确性。以上实施例均为本专利技术的优选实施例。本邻域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改和变更，本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，其特征是按照如下步骤进行：一、在原子力显微镜下，采用硅夹具将微纳结构的硅基板夹住；二、用激光对硅基板的悬空端照射数秒，观察硅基板的硅基表面形态并测量相对应的尺寸；三、在相场模型下模拟基于激光照射下的硅原子扩散行为和纳米结构硅基表面形态的演变过程。

【技术特征摘要】
1.基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，其特征是按照如下步骤进行：一、在原子力显微镜下，采用硅夹具将微纳结构的硅基板夹住；二、用激光对硅基板的悬空端照射数秒，观察硅基板的硅基表面形态并测量相对应的尺寸；三、在相场模型下模拟基于激光照射下的硅原子扩散行为和纳米结构硅基表面形态的演变过程。2.如权利要求1所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，其特征是：步骤二，激光的功率P为75mW，波长λ为532nm。3.如权利要求1所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，其特征是：步骤三，相场模型包含多种能量和动力。4.如权利要求3所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，其特征是：所述的能量包括热能、化学能、表面能。5.如权利要求3所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，其特征是：所述的动力学包括热扩散、迁移过程。6.如权利要求1或3-5任一项所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，其特征是：步骤三，模型的构建过程：在相场模型中存在一种成分相硅，定义c为硅原子的体积分数，c(x,y,z,t)为一个在空间上和时间上的一个相场参数，通过测量c的体积分数在不同时间和不同位置上的数据变化，从而模拟出硅基表面原子的扩散行为和硅基表面形态的演变过程，根据Cahn-Hilliard模型，自由能方程为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俐楠，程从秀，吴立群，郑伟，王洪成，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33