FCC晶体外延薄膜中失配位错形成的动力学条件

运用分子动力学方法对面心立方(FCC)晶体铝外延膜的高温弛豫过程进行了三维计算机模拟。铝原子间的相互作用势采用嵌入原子法(EAM)多体势来计算。模拟结果表现了失配位错的形成现象与动力学条件的关系。分析表明,模拟中所给的动力学条件对薄膜性能有很大的影响。在失配度大小为0.06时,负失配下的铝膜比正失配下的更易于形成失配位错;失配度大小分别为0.05和0.04时,温度低于铝的熔点时不会形成失配位错;温度高于铝的熔点时负失配的铝膜比正失配的更难熔化。研究发现失配位错的形成不仅与失配度的大小和生长的温度有关,而且还与失配度符号有密切关系。

失配位错对Cu/Ni多层膜力学性能的影响

通过对Cu/Ni多层膜纳米压痕过程的二维分子动力学模拟,研究了失配位错对多层膜力学性能的影响。结果表明,失配位错网对滑移位错的阻碍作用使Cu/Ni多层膜得以强化,并且这种强化作用依赖于多层膜的调制波长(相邻两膜层的厚度之和)。当调制波长大于临界值λc时,失配位错的应力场随膜层厚度变化不大;当调制波长小于临界值λc时,失配位错的运动导致了界面处的应力集中,从而使多层膜的力学性能下降。为了优化多层膜的力学性能,临界调制波长要大于在单膜层内产生位错的深度。

钙钛矿型外延薄膜中两种分解失配位错的HRTEM研究

在(001)LaAlO3上生长钙钛矿型Ba0.3Sr0.7TiO3外延薄膜近界面层,用HRTEM观察到多种新型的分解失配位错,其中两种较复杂的分解失配位错已见报道。本文介绍在该薄膜中观察到的另外两种有趣的分解失配位错。这两种失配位错都分解成两个柏格斯矢量b=(1/2)〈110〉的不全位错,都与(1/2)〈110〉层错相伴。这些不全位错对薄膜应变松弛都有贡献,其发生与Ba0.3Sr0.7TiO3薄膜的岛状成核和莫扎克生长有关。

PbTiO3/SrTiO3(010)异质界面上的周期性失配位错及电子富集

探索位错等缺陷对于铁电材料畴结构、铁电性、电导率等其他物理属性的影响对于研究铁电薄膜材料的铁电及压电机理有着至关重要的作用,关于界面位错对铁电薄膜材料物理性质产生影响的现有研究结果也还存在争议,有待深入探究。本文采用球差矫正透射电镜(STEM)以及电子能量损失谱(EELS)研究了(010)晶面PbTiO3/SrTiO3异质界面上的周期性失配位错的原子结构及电荷分布。分析结果发现在a[001]位错核区域及其附近,可能存在着电子富集的现象,该现象可能会提高位错线上的电子电导率,该结果对于探究位错对铁电异质结体系物理性质的影响具有意义。

生长温度和表面增原子对外延薄膜中失配位错形成的影响

用分子动力学方法模拟了三维外延铝薄膜晶体中温度和表面增原子对失配位错形成的影响,采用的原子间相互作用势是嵌入原子法(EAM)多体势。模拟再现了薄膜中位错形成过程,结果分析表明:较高的温度和表面增原子团存在对薄膜中失配位错形成都有促进或诱发作用;模拟中观察到两种不同的位错形核过程:一种是经历多余半原子面挤出过程而直接得到一个全位错,另一种是先形成由两个部分位错夹着一片层错的扩展位错,之后才得到全位错,这两个位错的伯格斯矢量都是与失配方向平行的刃型位错。

非应变盖层的应变外延层结构中失配位错的分布

利用连续介质模型，计算有非应变盖层的应变外延层结构中单位面积的能量．引入上下界面失配位错数目的比例因子η，利用能量最低原理，求得η的表达式．研究表明，失配位错在上下界面的分布与应变的弛豫程度和盖层的厚度有关．随应变弛豫程度和非应变盖层厚度的增加，失配位错在上界面的数目增多。

含表界面效应的核壳纳米线界面失配位错形核

研究了考虑表面和界面效应的核壳纳米线材料中螺型失配位错形核的临界情况。运用复势方法获得了纳米线和薄膜区域复势函数的解析解。主要讨论了表面和界面效应对核壳纳米线中螺型失配位错形核的影响规律。研究表明:正(负)表面、界面效应会减小(增大)螺型失配位错形核时所需的膜厚度范围和临界剪切模量;当其他参量为某些定值时,无论膜厚度为多大,正表面、界面弹性常数都存在使螺型位错不能形核的可能;正(负)表面、界面残余应力会增大(缩小)螺型失配位错形核时所需的膜厚度范围;正(负)表面、界面效应会增大(减小)螺型失配位错形核时所需的临界膜厚度和失配应变临界值。

沉积原子入射对外延铝薄膜中失配位错形成的诱发作用

运用分子动力学方法模拟研究了沉积原子的不同落点对外延铝薄膜中失配位错的诱发作用。铝原子间相互作用势为嵌入原子法(EAM)多体势。模拟结果显示,在600 K下15个原子层厚失配度为-0.06的外延铝膜中,沉积原子入射在FCC位置和HCP位置上比入射在表面原子的正上方上更容易引起失配位错形成,沉积原子入射在表面两个相邻原子连线的中点上则不能形成位错;失配位错的形核方式为挤出一个小倒正四面体构型的原子团,但其挤出方式有二种:当入射在FCC位置和HCP位置时,均为挤出一个底面平行于薄膜表面的倒正四面体构型的原子团;当入射在表面相邻两个原子连线的中点上时,挤出一个底面与薄膜表面成一定角度的倒正四面体构型的原子团。

沉积原子入射动能对失配位错形成的研究

本文运用分子动力学模拟方法,详细研究了单个入射原子对外延铝簿膜中失配位错的诱发作用。模拟结果显示:入射动能足够大的单原子对外延薄膜中失配位错的形成有诱发作用。原子在600K下入射到失配度为-0.06,15个原子层厚且表面光滑的外延铝薄膜时,入射动能只要大于等于0.14eV就可以诱发失配位错的形成。

计算机模拟界面失配位错对复合材料力学性能的影响

复合材料的界面问题是材料研究的难点之一．实验手段复杂且难以获得准确数据．利用计算机模拟方法研究界面结构与力学性能现已成为界面研究的重要方法．本文利用分子动力学模拟了错配比分别为３％和１５％的ＡＧ／州和Ｃｕ／Ｎｉ两种界面在静态弛豫和动态弯曲过程中的原子结构和力学性能曲线．结果表明，界面失配位错的错配比不同，其力学性能亦不同．

沉积原子动能对失配位错成核时原子团挤出的影响

本文运用分子动力学模拟方法,研究了在外延铝簿膜中单个入射原子动能对失配位错成核时原子团挤出的影响。模拟结果显示:当沉积原子动能为0.14eV时,在原子动能和原子压力的共同作用下,倒正四面体构型原子团在紧挨着沉积原子边缘被挤出;当沉积原子动能大于1.4eV时,在原子动能的影响下,倒正四面体构型原子团能被挤出。位错形核后,失配位错也随之形成。

面心立方晶体外延膜沉积生长中失配位错的结构与形成过程

用分子动力学方法对5%负失配条件下面心立方晶体铝薄膜的原子沉积外延生长进行了三维模拟.铝原子间的相互作用采用嵌入原子法(EAM)多体势计算.模拟结果再现了失配位错的形成现象.分析表明,失配位错在形成之初即呈现为Shockley扩展位错,即由两个伯格斯矢量为〈211〉/6的部分位错和其间的堆垛层错组成,两个部分位错的间距、即层错宽度为1·8nm,与理论计算结果一致;外延晶体薄膜沉积生长中,位错对会发生滑移,但其间距保持稳定.进一步观察发现,该扩展位错产生于一种类似于“局部熔融-重结晶”的表层局部无序紊乱-有序化过程;而这种表层局部紊乱或熔融则起自于失配应力作用下表层挤出四面体的形成,这种挤出四面体在大多数情况下可由原子间相互作用拉回,其消长呈统计涨落,而在个别情况下则发展成为局部紊乱区,成为其后位错形成的核心.

外延生长薄膜中失配位错形成条件的分子动力学模拟研究

运用分子动力学方法对负失配条件下的外延铝簿膜中失配位错的形成进行了模拟研究.所采用的原子间相互作用势为嵌入原子法(EAM)多体势.模拟结果显示:在500K下长时间静态弛豫,表面和内部结构完整的外延膜在9—80原子层厚度范围内(约为其热力学临界厚度的3—40倍)均不形成失配位错,而在薄膜表面预置一个单原子层厚、三个原子直径大小的凸台或凹坑时,失配位错则能够在15个原子层厚的外延膜上迅速形成:在动态沉积生长条件下,表面自然形成凹凸,初始厚度为9个原子层厚的外延膜在沉积生长中迅速形成失配位错.在三种条件下,所形成的位错均为伯格斯矢量与失配方向平行的全刃位错.分析发现:在压应力作用下,表面微凸台诱发了其侧薄膜内部原子的挤出,造成位错形核;而表面微凹坑则直接因压应力作用形成了一个表面半位错环核.

采用纳米晶柱阵列衬底抑制失配位错形成的分子动力学模拟研究

运用分子动力学方法对纳米晶柱阵列衬底上铝簿膜的外延生长进行了模拟研究.所采用的原子间相互作用势为嵌入原子法(EAM)多体势.模拟结果表明:采用纳米晶柱阵列衬底可以在不形成失配位错的条件下释放其上生长的外延薄膜晶体中的失配应变,有效地抑制其中失配位错的形成,获得高质量的外延薄膜晶体;这种纳米晶柱阵列的几何设计应满足两个基本条件:1)晶柱的横截面尺寸应大于对应温度下的晶柱热失稳临界尺寸,以克服纳米结构的热失稳,模拟显示700K下铝的热失稳临界尺寸为1.9nm;2)晶柱的高度与间距之比应大于0.76,以保证晶柱间"沟底"部分生长的低质量的薄膜被完全遮蔽而停止生长,并且相邻晶柱上的外延层能够互相桥连形成无失配位错、高质量的薄膜晶体.

AlSb/GaAs(001)失配位错的高分辨电子显微学研究

用200kV六硼化镧光源的高分辨透射电子显微镜观察了AlSb/GaAs(001)外延薄膜的失配位错,结合解卷处理方法把[110]高分辨电子显微像转换为试样的结构投影图,其分辨率接近电子显微镜的信息极限.根据赝弱相位物体近似像衬理论,通过分析AlSb薄膜完整区解卷像的衬度随试样厚度的变化,确定了哑铃原子对中Al和Sb原子的位置.在此基础上构建出失配位错的结构模型,再结合模拟像与实验像的匹配,确定了AlAs型界面以及Lomer和60°两类失配全位错的核心结构.

纳米尺度圆孔表面薄膜界面失配位错形核机理

研究了无限大基体内纳米尺度圆孔表面薄膜中界面螺型位错形核的临界条件,薄膜考虑了表/界面效应。运用弹性复势方法,获得了两个区域应力场的解析解答,并导出位错形核能公式,由此讨论了表/界面效应对薄膜界面位错形核的影响规律。算例结果表明,表/界面效应在纳米尺度下对位错形核的影响显著,不同表/界面效应下位错形核的临界薄膜厚度有很大差异,当基体与薄膜的相对剪切模量超过某一值后,只有考虑负的表/界面应力时位错才有可能形核;薄膜厚度在小于某一临界尺寸时负的表/界面应力更容易位错形核,薄膜厚度大于某一临界尺寸时正的表/界面应力更容易位错形核。

Cu／Ni多层膜中交变应力场对可动位错的制约

Cu／Ni多层膜的强化作用来自于多层膜结构中交变应力场对位错运动的约束,该交变应力场主要包括两部分：在共格界面处由于剪切模量差而导致的镜像力,以及多层膜内由于晶格常数差而形成失配位错网的应力,如果位错在膜层内运动的临界应力值小于交变应力场的约束,位错会被限制在单层膜内运动,多层膜被强化；反之,则位错很容易通过界面到达临近的膜层,多层膜开始出现弱化,交变应力场的变化幅值与多层膜的调制波长相关,理论计算结果表明,Cu／Ni多层膜的临界调制波长为1．9 nm,但失配位错网的交变应力场在多层膜的调制波长λ=9 nm时振幅达到极值。

Cu/MgO界面位错的高分辨电子显微镜研究

用高分辨透射电子显微镜对内氧化产生的Cu/MgO界面进行了研究,观察到了取向关系相同的两种不同界面,并运用近重位点阵模型对其界面结构进行了研究,求出了失配位错的3个Burgers矢量和次级位错的3个Burgers矢量。