一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法技术

本发明专利技术属于薄膜表面粗糙度分析领域，并公开了一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法，包括：生成气体基团分子和基底并构建分子动力模拟模型，并设定相关参数；在分子动力模拟模型中配置原子间相互作用势以及能量最小化处理；进行原子沉积，在原子沉积的过程中对含有原子坐标信息的输出文件进行可视化处理，得到不同时刻薄膜沉积的快照数据和最终薄膜生长的形貌图；对形貌图进行模拟分析，得到薄膜表面原子坐标数据，结合均方根粗糙度

【技术实现步骤摘要】
一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法


[0001]本专利技术属于薄膜表面粗糙度分析领域，特别是涉及一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法
。

技术介绍

[0002]化学气相沉积
(CVD)
是一种化工技术，该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质
、
在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法
。CVD
技术广泛应用于复合材料制备
、
微电子学工艺
、
半导体光电技术
、
太阳能利用
、
光纤通信等领域
。
这些材料可以是氧化物
、
硫化物
、
氮化物
、
碳化物，也可以是
III
‑
V、II
‑
IV、IV
‑
VI
族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制
。
[0003]薄膜的化学气相沉积是一个复杂的非平衡态的分子动力学过程，薄膜表面粗糙度是薄膜生长过程中微观结构的宏观表现，只有从原子
、
分子层面了解了薄膜的成形机理，揭示薄膜生长过程中表面粗糙度的生长机理，才能实现从根本上调控薄膜表面粗糙度的目的
。
且现有技术中成本与消耗大，同时因相关设备和材料的限制等无法准确进行和完成实验，现有试验技术只允许研究表征薄膜结构特性的一些积分参数，详细研究薄膜的结构特性仍然是现代薄膜光学技术面临的一大挑战
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法，以解决上述现有技术存在的问题
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法，包括：
[0006]步骤一：生成气体基团分子结构和基底模型；
[0007]步骤二：通过
Lammps
软件工具包对所述气体基团分子结构和所述基底模型进行读取并构建分子动力模拟模型，将所述分子动力模拟模型的物理参数模拟空间的三个方向边界设置为周期边界，并设定相关参数；
[0008]步骤三：在所述分子动力模拟模型中配置原子间相互作用势；
[0009]步骤四：对基底模型进行能量最小化处理；
[0010]步骤五：进行原子沉积直至完成薄膜逐层沉积；
[0011]步骤六：在原子沉积的过程中对含有原子坐标信息的输出文件进行可视化处理，得到不同时刻薄膜沉积的快照数据和最终薄膜生长的形貌图数据；
[0012]步骤七：基于
Alpha
‑
shape
算法对所述形貌图数据进行模拟分析，得到薄膜表面原子坐标数据；
[0013]基于所述薄膜表面原子坐标数据结合均方根粗糙度
RMS
公式获取薄膜表面原子个数及原子平均高度值数据；
[0014]步骤八：对所述薄膜表面表面原子个数和所述原子平均高度值数据进行统计分析
得到薄膜表面粗糙度数据
。
[0015]可选的，所述气体基团分子结构包括：硅烷基团分子结构
、
氨气基团分子结构和氢气基团分子结构
。
[0016]可选的，所述基底模型为晶体硅基底模型
。
[0017]可选的，所述相关参数包括：各原子质量
、
各原子类型
、
反应气体温度
、
基底温度
、
反应物气源比例
、
气源分子电离率
、H
原子反应率和模拟时间步长
。
[0018]可选的，在所述分子动力模拟模型中配置原子间相互作用势，具体包括：
[0019]利用多体
Tersoff
势函数对硅原子，氮原子，氢原子间的相互作用势进行配置
。
[0020]可选的，对基底模型进行能量最小化处理，具体包括：
[0021]基于共轭梯度法对基底模型进行能量最小化处理，处理完成后对硅基底完成热平衡处理
。
[0022]可选的，进行原子沉积直至完成薄膜逐层沉积，具体包括：
[0023]将一批所述气体基团分子结构充入分子动力模拟模型中与基底模型进行反应，每
10000
步反应后剩余气体会被排出分子动力模拟模型，进一步充入下一批所述气体基团分子结构进行原子沉积，当各所述气体基团分子结构沉积后完成薄膜逐层沉积
。
[0024]可选的，基于所述输出文件获取薄膜表面原子坐标数据，具体包括：
[0025]步骤一：基于所述输出文件构建点集
S
，从所述点集
S
任选一点
p
，将与所述点
p
距离小于或等于2α
的点组成新的点集
S1；
[0026]从所述点集
S1中任选点
p
，
和
p
，，
，分别获取过点
pp
，
和点
p
，，
且半径为
α
的球的球心
o
和球心
o'
；
[0027]步骤二：遍历所述点集
S1，依次求出其他点到球心
o
和球心
o'
的距离数据集合
d
和距离数据集合
d'
；
[0028]基于半径
α
对所述距离数据集合
d
和所述距离数据集合
d'
进行判断，若所述距离数据集合
d
和所述距离数据集合
d'
中有任意一个集合中的值均大于等于半径
α
，则点
p、
点
p
，
和点
p
，，
是边缘轮廓点，三角形
pp
，
p
，，
是边界三角形；若所述距离数据集合
d
和所述距离数据集合
d'
中均有小于半径
α
的值，则点
p、
点
p
，
和点
p
，，
不是边缘轮廓点，并停止遍历；
[0029]第3步选择点集
S1中的下一组点重复步骤一到步骤二，直至点集
S1中的全部点判断结束；
[0030]第4步选择点集
S
中下一个点重复步骤一到步骤三，直至点集
S
中的全部点判断结束，输出边界三角形矩阵
M
，得到构成模型边缘轮廓的点集；其中，所述构成模型边缘轮廓的点集即所述薄膜表面原子坐标数据
。
[0031]可选的，获取薄膜表面原子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法，其特征在于，包括：步骤一：生成气体基团分子结构和基底模型；步骤二：通过
Lammps
软件工具包对所述气体基团分子结构和所述基底模型进行读取并构建分子动力模拟模型，将所述分子动力模拟模型的物理参数模拟空间的三个方向边界设置为周期边界，并设定相关参数；步骤三：在所述分子动力模拟模型中配置原子间相互作用势；步骤四：对基底模型进行能量最小化处理；步骤五：进行原子沉积直至完成薄膜逐层沉积；步骤六：在原子沉积的过程中对含有原子坐标信息的输出文件进行可视化处理，得到不同时刻薄膜沉积的快照数据和最终薄膜生长的形貌图数据；步骤七：基于
Alpha
‑
shape
算法对所述形貌图数据进行模拟分析，得到薄膜表面原子坐标数据；基于所述薄膜表面原子坐标数据结合均方根粗糙度
RMS
公式获取薄膜表面原子个数及原子平均高度值数据；步骤八：对所述薄膜表面表面原子个数和所述原子平均高度值数据进行统计分析得到薄膜表面粗糙度数据
。2.
根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法，其特征在于，所述气体基团分子结构包括：硅烷基团分子结构
、
氨气基团分子结构和氢气基团分子结构
。3.
根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法，其特征在于，所述基底模型为晶体硅基底模型
。4.
根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法，其特征在于，所述相关参数包括：各原子质量
、
各原子类型
、
反应气体温度
、
基底温度
、
反应物气源比例
、
气源分子电离率
、H
原子反应率和模拟时间步长
。5.
根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法，其特征在于，在所述分子动力模拟模型中配置原子间相互作用势，具体包括：利用多体
Tersoff
势函数对硅原子，氮原子，氢原子间的相互作用势进行配置
。6.
根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法，其特征在于，对基底模型进行能量最小化处理，具体包括：基于共轭梯度法对基底模型进行能量最小化处理，处理完成后对硅基底完成热平衡处理
。7.
根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的薄膜表面粗糙度分析方法，其特征在于，进行原子沉积直至完成薄膜逐层沉积，具体包括：将一批所述气体基团分子结构充入分子动力模拟模型中与基底模型进行反应，每
10000
步反应后剩余气体会被排出分子动力模拟模型，进一步充入下一批所述气体基团分子结构进行原子沉积，当各所述气体基团分子结构沉积后完成薄膜逐层沉积
。
8.
根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨连乔，杨骁妮，朱帅，简毛亮，吴马佳奇，马琰，朱昊睿，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：