能源和温度的影响集群沉积引起的聚结

文摘

合并引起沉积不同的铜集群外延公司集群支持一个铜(001)衬底是由恒温的分子动力学模拟研究。最终系统的外延的程度增加而增加分离的质量中心之间的弹丸和目标集群在碰撞过程中。结构、粗糙度和外延的支持集群也影响程度的外延。能量和温度因素的影响的外延条件结合集群,尤其是这两个因素都修改一代,增长和颗粒之间的相互作用。较高的温度有利于低影响参数的外延生长。更高的能量导致任何初始的外延聚结分离弹和目标集群。弹丸能量的影响明显大于温度的影响,因为较高的能量允许更大的和瞬时原子重组,以便出现颗粒碰撞后的数量变得越来越小。晶界的出现混乱,因此,结合集群外延生长的决定性因素。

1。介绍

Intercluster聚结是一个过程广泛研究使用分子动力学(1- - - - - -4)或烧结的宏观模型(5]。底层物理现象是毛细现象由于表面自由能降低。联合支持的集群领域的表面纳米结构是非常重要的(6]。事实上,聚结的理解是最重要的对于理解cluster-assembled材料的结构,和,因此,对于控制薄膜的物理和机械性能。这种类型的材料生长的低能沉积的集群包含数百或数千个原子在一个表面上(7]。兰格和Kellett8)表示,进一步降低自由能将需要的再结晶粒子,从而消除之间的一些晶界结合集群。在heterocoalescence过程中,这些颗粒边界的起源可能驻留在晶体不匹配。许多团体表现微晶旋转技术为了调查重新定位在烧结金属(1和氧化物颗粒9]。对金属,重新定位的机制也应该考虑晶粒的形成和迁移混乱。

在这工作,与其他调查,探讨了不同纳米颗粒之间的碰撞引起的heterocoalescence通过分析晶粒生长和结合集群的结构在不同温度和projectile-cluster能量。具体来说,铜和集群,后者支持铜(001)衬底上,已经被使用。铜钴集群嵌入或支持矩阵构成一个有吸引力的系统,因为它显示重要的磁性(10]。最初,面向随机有限公司集群(目标)铜(001)衬底上沉积。接下来,面向随机的铜集群(弹)在不同能量沉积在前碰撞。显然,在实际的聚结,确保热化的衬底扮演重要的角色。抛射体之间的中心物质分离和目标集群在碰撞的瞬间是不同的。两集群外延的程度上影响这种分离的函数被调查。统计研究必要阐明这种规模的差异。随温度变化和沉积能量由于晶粒间运动的激活和谷物内部旋转也被分析。

2。模型和分析方法

提出的运动方程是来源于拉格朗日Parrinello和拉赫曼11]。仿真时间约为100 ps,尽管某些情况下运行,直到1 ns检查结果的稳定性。可能是二次矩制定紧束缚近似(TB-SMA) Levanov et al。12)以适应实验凝聚力能量和弹性常数散装铜(faced-centred立方,fcc阶段)和有限公司(六角装得满满的,hcp),以及,从头开始对小型公司集群在铜表面相互作用能量。

铜基板单元的数量,,是比使用在另一个类似的模拟工作(13]。此外,模拟次获得这个尺寸允许我们初期的外延的统计分析。周期性边界条件中使用了- - -方向平行于自由表面(001),和非周期的边界条件,在正常的方向(方向)。这个方向的三个底层是固定的,和五个以上的这些热控制层,被认为是一个理想的散热器和维护一个常数衬底温度。温度控制的算法是Nose-Hoover恒温器(14]。抛射体的晶体结构和目标集群之前沉积是最稳定的15),六角面立方八面体(CO),也所谓的伍尔夫多面体,586个原子和fcc阶段(16]。

首先,一个公司集群(目标)沉积外延撞击能量通过选择合适的条件(17]。接下来,铜集群(弹)沉积碰撞与以前的集群支持。温度和沉积能量变化来分析其影响程度的外延产生的系统。为了繁殖实验条件,弹丸集群随机旋转。此外,统计平均完成大约10例(不同的集群旋转或欧拉角)。模拟案例的数量不允许获得最终的确切值程度的外延(低色散),因为这不是我们的目的,而是指导值。弹丸集群的初始位置是由变化所决定的协调的质量中心相对于相同的协调支持的集群。两个坐标之间的差异是影响参数,已归一化半径之和的两个集群相撞,参数。因此,相对距离超过1对应于两个集群情况目前不接触的影响。

外延纳米之间的匹配和衬底被之前定义的外延因素量化,(18]。在一个支持集群中,措施的平均角位移first-neighbour位置向量(相对于每个原子),相比这些向量是如果这个原子是在一个完美的基质晶格的延续。在之前的工作中,结果表明,集群的价值可以考虑外延(17]。一个程序监控晶粒生长。这个程序使用,首先,分析常见的邻居(CNA) [19)找到一个原子周围的晶体结构:fcc或hcp。接下来,确定每个原子的晶格单位向量;考虑,当有几个选项,项目选择的方向发现更频繁地在邻近的原子。在任何给定的时间,集群中的谷物的地图是由组成相似的晶格单位向量集。最后,该计划将现有的谷物在那一瞬间在以前的时刻。如果一粒可以与他们中的一些人由于其密切相关(中心的大规模分离),相同的晶体取向是第一选择。除非另有说明,模拟将完成在300 K,沉积能量0.25 eV /原子(871 m / s)与最初的目标集群系数= 0.43(引用)。

3所示。结果与讨论

首先,初始外延秩序和表面结构的影响目标公司集群的对齐过程进行了分析。抛射体铜集群是沉积在三个不同的系统。在支持的目标集群的情况下,因素显示,在一般情况下,碰撞后略有增加;然而,这种集群不会失去其外延条件。外延生长的关键,因此,驻留在弹丸集群。的这个集群作为一个函数的影响因素参数碰撞后如图1(一)。尽管大的标准差,如果目标集群没有显示初始外延结构(C,初始),平均的值增加与参考案例B,专门为低,影响参数。在任何情况下,外延生长()不观察参数在这个订单在这两种情况下(B和C)。主要原因是铜衬底不产生显著的一致性影响弹丸铜集群(20.)因为这个不接触表面;除了现有的两个集群之间的晶格错配(2%)。的平均势能结合集群,一个初始的快速增长后,既减少簇合并。事实上,如果弹丸集群与底物结合,也就是说,如果参数是足够大的影响,这种能量达到下限:系统达到一个完全外延配置。一般来说,最后系统的势能较高如果集群中颗粒形成(21]。

为了分析目标集群的初始表面形态的影响,与fcc麦凯二十面体群561个原子沉积阶段是集群作为目标。沉积后,这个集群的结构非常外延(情况下,最初的)。然而,表面原子对应的数量和表面大,分别为28%和16%,23%和5%的参考案例。因此,这个集群的初始表面形成更大程度上由稳定飞机表面,与参考目标集群,主要由圆形和粗糙表面缺乏结构。这些平面结构使外延秩序的恢复困难。因此,在图1(一),因素的情况下,增加关于参考的情况下,尤其是低影响参数。通常,相互作用能增加步骤(和其他粗糙度)附近由于更高的原子协调可用步骤边缘(22]。这种更高的能源导致显著增加集群的初始变形影响,这直接导致结构与更高程度的最终排序(22]。

温度是另一个因素影响的外延生长17]。在图1 (b)弹,外延的程度达到的集群显示在不同的温度下。平均值之间的差异在700 K和K不是特别大。然而,值得强调的是,这些曲线的变化趋势为中级水平的影响参数。因此,低影响参数,如果温度升高,晶粒间的热激活运动的影响和谷物重新定位更大外延合作秩序,减少的价值(21];相反,高参数,影响更大的热振动在外延条件下增加了障碍,因此,降低外延的程度。结合集群的平均势能也显示差异。的影响,为低影响参数,这种能量的增加相对于初始值是相同的在5 K和700 K(碰撞变化)。然而,在随后的时间瞬间较大相对减少高温(由于热激活,因此与衬底的最终对准)。然而,对于越来越多的影响参数,高和低的温度的差异越来越小。

结合集群的结晶度也取决于沉积能量。在图1 (c),因素显示在不同的能量。随着沉积能量的增加,与底物更大,最终导致完全外延薄膜在足够高的能量21]。沉积在0.75 eV /原子(1509 m / s)产生外延集群在任何影响参数;甚至不同旋转的统计偏差非常低。恰恰相反在0.025 ev /原子的情况下(276 m / s)。弹集群在低能量,只有到达水面高影响参数,约为0.5;以来,由于其规模,目标集群容易减慢其进步。不同的是,在0.75 eV /原子,弹丸集群接触的表面影响参数约0.2。这些事实清楚确定的形状曲线:在低能量,他们下降,在高影响参数,是陡峭;在高能源,他们开始减少顺利以相当低的影响参数。

集群之间的聚结过程发生之前,更快的重新定位过程中相邻纳米粒子是必要的(9]。事实上,如果重新定位是镇压,晶格失配反对完整的合并,在协议与兰格的预测和Kellett [8];甚至在许多情况下,一个完整的合并被晶界,这样系统抑制留在dumbbell-like形状(在合并过程中没有沉积)[9]。在图2原子的数量的时间演化(百分比)不同谷物的系统形成的集群显示的情况。低温(5公里),有几乎每个粮食数量的原子的变化,或谷物的数量,这是相当大的。原子在主要粮食从根本上来自外延目标集群。三维图像更确凿:三hcp nanograins,即堆积层错飞机减速fcc的进步主要粮食,面向就像衬底(见图3)和最低的平均势能(高结合能)。这个结合能每粒几乎保持不变,除了小波动。对应于一个叠层顺序ABC 1-layer hcp粮食BCA,并远离火源hcp粮食对应于一个序列ABC公元前英航。700 - k案例展示了一个不同的行为:原子主要粮食的数量不断增长,而其他nanograins失去原子或消失了。这个原子热激活引起的公司(或更改叠加)意味着减少的结合能主要粮食,因为铜原子的弹丸集群添加(内聚能比铜高有限公司)。孪生混乱穿过集群变化叠加的方式nonepitaxial层变得外延(23]。

在沉积在低能量(300 K),结合集群的内部结构的发展是类似于低温情况下(堆积层错减慢进步的主要粮食,见图3),略有区别这粮食增长由于热激活,产生一个小的能级变化涉及谷物。在高能源,主要粮食的增长几乎是瞬时碰撞之后。只是一个表面hcp nanograin保持稳定的过程(见图3),如在高温的情况下。此外,两个表面颗粒有相同的单位晶格向量。分析的平均势能函数的仿真表明,谷物的消失是结果,在某种程度上,这种能量最大的冲击(碰撞压力),因为在低能量峰值并不存在。事实上,这个峰值必须足够高,以允许势能达到足够低的值(外延排序)。外延匹配的另一个原因是混合。在0.75 eV / atom,旁边的结合集群衬底层(界面层)居住着大约22%的铜原子从弹丸集群;然而,在0.25 eV /原子,这个数字减少约4%;和0.025 eV /原子在0%。因此,尤其是在高能晶格错配应力的减少。

有趣的是,讨论更详细的时间演化700 K(见图4)。碰撞后(~ 10 ps),两个双层hcp nanograins发达。其中一个是放置在集群之间的接口,在公司和铜、平行(1−1 1)飞机(图中没有显示);旁边,另一个是把界面,在公司集群,平行于(1,1,1)飞机。碰撞压力、晶格错配和Co的趋势hcp相微晶(使用截止半径有利于这一阶段)24)将这些纳米结构的原因。经过20 ps,后者nanograin已经和包括4层两边的接口。旁边,在铜集群和达到其表面,substrate-oriented fcc颗粒开始开发。另一方面,前hcp nanograin比后者更不规则,主要被吸收的主要粮食。40 ps,这种nanograin已经消失了,它的原子被邻近的谷物合并在一个清晰的过程中晶粒间迁移的25]。就其本身而言,后者hcp nanograin失去一层(111),具体地说,在接触吸收的主要粮食。此外,中间层的粮食在铜界面生成一个堆垛层错,CBC一个C,在铜比hcp nanograin更稳定,尽管其结构(BCA)不是面向衬底。这旁边,表面substrate-oriented粮食略有增长。在60 ps, substrate-oriented一粒一粒的主要与对方下面,鉴于主要粮食完全合并两个水平文件与底物接触。这种原子迁移继续向上,虽然不是垂直的方式,但在(1 1−2)方向。因此,主要的粮食持续添加原子。90 ps,楔形结构可以区分顶部的铜集群。它的表面是由双层hcp nanograins放置在不同飞机。反过来,内部有其他楔形结构,但这是fcc。因此,hcp nanograin开始成长的一部分,但是在平行层(−1−11)飞机(而不是飞机(111));在室内,fcc nanograin开始旋转向substrate-oriented结构。在96 ps, fcc颗粒与主要粮食。以及,hcp一粒一粒周围主要开始被吸收。最后,只有保持粮食(−−1 11)平行平面,旋转和恢复最初的晶体取向和表面移动的平行层(111)的飞机。

4所示。结论

温度的影响,沉积能量,或目标集群的形态分析沉积引起的晶体再定位过程中不同的铜集群的集群外延有限公司铜(001)衬底上的支持。弹集群的外延程度增加而增加的影响参数之间的集群。然而,这种依赖的变化观察到通过修改一些变量。下面,我们总结的主要结果。(我)外延程度低影响参数增加如果目标集群提高外延秩序或增加其表面粗糙度。(2)外延秩序也会增加低影响参数随着温度自热激活导致晶粒间迁移和重新定位。高的影响参数,热振动减少外延排序。(3)沉积能量的因素最多的体重,因为,在高能量,结合集群甚至达到一个外延配置低的影响参数。碰撞压力和混合是负责外延匹配。

晶界的分析显示,在低温或能量,原子的数量几乎没有变化的谷物,或谷物的数量,也就是,此外,相当大。堆积层错在飞机减慢substrate-oriented主要粮食的发展。在高温下,孪生混乱穿过集群改变叠加,所以nonepitaxial层成为外延;和高能源,最初的高应力最小化这些缺陷的出现。碰撞后,hcp nanograins生长主要在接口。有时候,这些nanograins可以消失,晶粒间迁移,吸收其他谷物,和其他人;他们成为堆积层错(铜)更稳定。这些断层表面移动,能够旋转他们的取向或吸收的主要粮食,改变他们的结构。

确认

这项工作是一个研究小组计划的一部分,UCM的Bioelectromagnetism集团910305年由UCM-Santander财务支持。

引用

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