基于元胞自动机方法的定向凝固枝晶竞争生长数值模拟

通过耦合温度场模型、溶质扩散方程以及枝晶生长动力学方程等重要因素,建立了一种改进的元胞自动机模型.该模型通过采用偏心算法消除网格各向异性,实现了二维尺度上任意角度枝晶生长的模拟,同时适用于模拟三维尺度上枝晶的生长过程.利用建立的模型开展了定向凝固枝晶竞争生长过程的数值模拟.为了体现本模型的有效性,模拟了透明合金的竞争生长过程,并与实验结果符合良好.镍基高温合金汇聚竞争和发散竞争的模拟结果清楚地展现了不同抽拉速度和枝晶优先生长角度下枝晶的竞争生长过程,并且模拟结果与理论模型相符合.三维枝晶生长的模拟结果表明本模型可以用来模拟三维枝晶一次臂间距的调整过程.     

基于压缩表示的离子刻蚀仿真三维表面演化方法

为了研究表面演化过程的机理, 提出了一种基于压缩表示的三维表面演化方法来模拟等离子体刻蚀工艺,并着重探讨了对离子刻蚀的仿真. 为了解决三维元胞自动机内存需求量大的问题, 该方法将二维数组和动态存储方式相结合, 既实现元胞信息的无损压缩存储, 又保持三维元胞间的空间相关性. 实验结果也表明该方法不仅节省了大量内存, 而且在高分辨率条件下查找离子初始碰撞的表面元胞效率较高, 满足高分辨率仿真的要求. 将该方法应用于实现刻蚀工艺三维表面仿真中, 模拟结果与实验结果对比验证了该方法的有效性. 关键词： 等离子体刻蚀 元胞自动机 表面演化方法 高分辨率仿真     

结合实际刻蚀数据的离子刻蚀产额优化建模方法

刻蚀表面仿真是研究等离子体刻蚀工艺过程机理的重要手段.在刻蚀表面仿真方法中,刻蚀表面演化模型和离子刻蚀产额模型直接决定了刻蚀表面演化结果.但现有的刻蚀表面演化模型不够精确,且目前离子刻蚀产额模型主要来自分子动力学仿真和物理实验,而实际加工过程十分复杂,等效的离子刻蚀产额包含很多因素.针对这些问题,首先对当前的刻蚀表面演化模型进行改进,同时重新定义了离子刻蚀产额模型的优化目标,并利用实际刻蚀加工数据来优化离子刻蚀产额模型.为缩短优化模型所用时间,采用并行方法来加速优化过程.最后,将得到的离子刻蚀产额模型参数应用于采用元胞自动机法的刻蚀工艺实际仿真过程中.实验结果表明,该优化建模方法确实提高了仿真的精确度,同时优化过程所用时间也大大减少.     

基于刻蚀速率匹配的离子刻蚀产额优化建模方法

随着微电子产业的不断发展,刻蚀特征尺度达到纳米级,等离子体刻蚀工艺过程机理研究越来越受到重视.刻蚀表面仿真是研究离子刻蚀特性的重要方法.在离子刻蚀表面仿真中,离子刻蚀产额模型是研究刻蚀机理的重要模型,也是元胞自动机等仿真方法的重要基础.为了解决利用传统方法无法得到准确刻蚀产额模型参数的问题,本文提出一种基于刻蚀速率匹配的离子刻蚀产额优化建模方法,该方法以实际刻蚀速率与模拟刻蚀速率之间的均方差为优化目标,利用基于分解的多目标进化算法来优化离子的刻蚀产额模型参数,并将得到的刻蚀产额模型参数应用到采用元胞方法的刻蚀工艺的实际仿真过程中.实验结果表明了该刻蚀产额优化建模方法的有效性.     

对流作用下枝晶形貌演化的数值模拟和实验研究

合金凝固过程中存在于枝晶尖端液相区的强制对流和自然对流均能改变溶质扩散层厚度,从而会对枝晶形貌产生较大影响.在元胞自动机模型基础上,耦合液体流动方程、热传导方程和溶质对流扩散方程,建立了新的计算微观组织演化的数值模型,并利用该模型研究了强制对流和自然对流对枝晶生长的影响.三维数值模拟结果再现了强制对流作用下等轴枝晶的生长过程,揭示了强制对流对枝晶生长速率和尖端半径的影响特点.同时利用该模型模拟了NH₄Cl-H₂O溶液定向凝固过程中自然对流对柱状晶生长的影响,并采用相应的实验进行验证.模拟结果与实验结果符合良好,从而证明该模型是可靠的,可推广到实际合金系中. 关键词： 元胞自动机 对流 4Cl-H₂O溶液')" href="#">NH₄Cl-H₂O溶液 定向凝固     

一个新的用于元胞自动机模拟微观组织的溶质分配模型及其计算验证

在已有的几种溶质再分配计算模型的基础上, 建立了一个新的更为合理的溶质再分配模型.该模型充分考虑了枝晶生长过程中可能出现的固/液界面元胞的各种状态及其邻居元胞的各种状态, 根据这两者的不同状态, 分别建立不同的计算公式展开计算. 利用所建立的模型消除了原有的扩散控制的元胞自动机(CA)生长模型存在的在晶界处元胞不凝固的缺陷. 接着, 为了进一步验证模型的可靠性, 在Kurz-Giovanola-Trivedi方法控制的CA生长模型中引入新的溶质再分配计算模型, 对Al-4.7 wt%Cu 合金铸锭进行了模拟计算, 并与实验结果进行了金相组织和成分分布两方面的对比, 表明新模型具有较好的精确性. 关键词： 元胞自动机方法 微观组织模拟 溶质再分配     

基于三维元胞模型的刻蚀工艺表面演化方法

为了更好地理解和认识刻蚀机理, 并为制造工艺提供优化指导, 采用三维元胞模型研究了刻蚀工艺的表面演化过程, 并着重探讨了离子对表面演化过程的影响.针对刻蚀离子入射角度的求解问题, 提出了一种降维分量拟合方法, 将一个三维曲面拟合问题转化为两个二维曲线拟合进行求解, 对入射点的表面法向量计算实现了快速求解, 与采用最小二乘多项式曲面拟合求解离子入射角度相比, 其计算精度和效率都有较大的提高; 对用于拟合计算的表面元胞的选取方法进行了改进, 提高了拟合的准确度.将这种方法应用到硅刻蚀工艺三维仿真中, 其模拟结果与相关实验结果对比, 验证了该方法对刻蚀工艺描述的有效性. 关键词： 刻蚀 三维元胞模型 表面演化算法 降维分量拟合     

凝固前沿和气泡相互作用的大密度比格子玻尔兹曼方法模拟

建立了二维双组分两相流的大密度比格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM)模型. 该模型基于改进的Shan-Chen伪势多相流LBM模型, 结合采用不同时间步长的方法, 实现密度比达800以上的气液两相流模拟. 为了对模型进行验证, 模拟了在不同气液相互作用系数和密度比条件下气泡内外压力差与其半径之间的关系, 其结果满足Laplace定律. 将所建立的大密度比LBM与介观尺度的元胞自动机(cellular automaton, CA)和有限差分法(FDM)相耦合, 用LBM模拟气液两相流, 用CA方法模拟固相生长, 用有限差分法模拟温度场, 采用LBM-CA-FDM耦合模型对定向凝固过程中凝固前沿的气泡与液-固界面之间的相互作用进行模拟研究. 结果表明, 绝热气泡的存在影响了温度场分布, 使得凝固前沿接近气泡时, 液-固界面凸起, 在不同的固相生长速度条件下, 出现凝固前沿淹没气泡或气泡脱离凝固前沿的不同情况, 模拟结果与实验结果符合良好. 关键词： 格子玻尔兹曼方法 元胞自动机 凝固 气泡     

雪花在非等温对流场生长过程的模拟

雪花是水蒸气在过冷环境下凝华相变形成的晶体,其生长过程涉及到多个尺度的热力学过程。本文提出了一种结合水蒸气扩散方程、热传导方程和动量守恒方程的改进的元胞自动机法,可以实现二维非等温对流场中雪花生长过程的模拟。研究结果和实验结果可以很好地吻合,验证了该模型的有效性。通过对模拟结果进行分析,研究了雪花生长过程中水蒸气分布、温度分布和对流速度对其形态的影响。     

多晶材料晶粒生长的计算机模拟研究

多晶固体材料显微结构的演化与诸多因素密切相关 ,是一复杂的过程。运用适当的计算机模拟方法进行模拟 ,实现对晶粒生长的预测 ,可为材料研究提供新的方法和重要依据。此文以晶粒生长动力学为基础 ,建立晶粒生长模型 ;分析了晶粒生长过程的计算机模拟理论和方法 ;以MonteCarlo方法为基础 ,提出快速Q statepotts算法 ,简化计算量 ,在PC机上编程实现了正常晶粒生长过程的计算机模拟。得到的显微结构图逼真度较好。通过对结果进行分析处理 ,得到的生长因子为 0 .4 7。     

The kinetic process of non-smooth substrate thin film growth via parallel Monte Carlo method

A Monte Carlo simulation model of thin film growth based on parallel algorithm is presented. Non-smooth substrate with special defect mode is introduced in such a model. The method of regionalizing is used to divide the substrate into sub-regions. This method is supposed to be modulated according to the defect mode. The effects of surface defect mode and substrate temperature, such as the nucleation ratio and the average island size, are studied through parallel Monte Carlo method. The kinetic process of thin film growth in the defect mode is also discussed. Results show that surface defect mode contributes to crystal nucleation. Analyzing parallel simulation results we find that density defect points, substrate temperature and the number of processors contribute decisively to the parallel efficiency and speedup. According to defect mode we can obtain large grain size more feasibly and the parallel algorithm of this model can guide the non-smooth substrate simulation work.     

沉积粒子能量对薄膜早期生长过程的影响

利用Monte Carlo(MC)模型研究了能量粒子对薄膜生长的初始阶段岛膜的形貌和岛的尺寸的影响,沉积粒子的能量范围为:0—0.7eV.在模型中考虑了原子沉积、吸附原子扩散和蒸发等过程,并详细考虑了临近和次临近原子的影响.结果表明,在所采用的参量范围内不同的基底温度情况下,能量粒子的影响有很大的区别.低基底温度情况下,沉积粒子强烈地影响着薄膜的生长过程中,岛膜的形貌、数量和尺寸随能量粒子的能量增加而有很大的变化.分析表明,这些变化都是由于能量粒子的介入使得表面吸附粒子的扩散能力增强所致 关键词： 薄膜生长 Monte Carlo方法 扩散     

Modelling of an obliquely deposited thin film in three dimensions by kinetic Monte Carlo method

A simulation of the growth of an obliquely deposited thin film in a three-dimensional lattice was made using kinetic Monte Carlo method. Cu growth in three dimensions on a (001) substrate with high deposition rates has been simulated in this model. We mainly investigated the variation of three-dimensional morphology and microstructure offilms with incidence angle of sputtered flux. The relation of roughness and densities of films with incidence angle was also investigated. The simulation results show that the surface roughness increases and the relative density of thin film decreases with increasing incidence angle, respectively; the columnar structures were separated by void regions for large incidence angle and high deposition rate. The simulation results are in good agreement with experimental results.However, the orientation angle of columns is not completely consistent with the classical tangent rule.     

基于机群系统的薄膜淀积并行计算

基于集群并行系统,实现了运用蒙特卡罗方法模拟100×100×100个原子Si衬底Al薄膜淀积过程的并行计算.采用了重叠的区域分解法和异步通信的有效并行计算策略,将区域的合理划分与薄膜淀积的空间填补的拓扑几何机理结合起来,着重减少通信耗费,提高算法的并行性能,大量地缩短了薄膜淀积模拟计算时间,从而为运用计算机方法模拟薄膜淀积、完成薄膜材料淀积的预测提供了更高效的手段.     

热辐射输运问题的隐式蒙特卡罗方法求解

热辐射与物质相互作用及辐射光子在物质中的传输是惯性约束聚变研究中的重要课题. 介绍了基于隐式蒙特卡罗方法的辐射输运方程,在该方程的积分-微分形式基础上,推导了利于蒙特卡罗方法模拟的等价的积分输运方程;基于积分方程设计数值模拟流程,编写三维蒙特卡罗数值模拟程序;针对热辐射输运典型问题及benchmark问题开展了数值实验,计算结果验证了方法的适应性及程序的正确性. 关键词： 热辐射 惯性约束聚变 输运方程 隐式蒙特卡罗     

The effect of diffusion and overhangs/vacancies on the microstructure of zig-zag thin film

Basing on some growth models of thin film, we have investigated the growth mechanism of glancing angle deposition (GLAD) film. The simulation verifies that the overhangs/vacancies also contribute to the columnar growth as well as the self-shadowing effect for GLAD thin film. Besides, we have studied the effect of the deposition rate, surface and bulk diffusions on the microstructure of thin film using the time-dependent Monte Carlo method. The results show that the surface and bulk diffusions can significantly enhance the packing density of thin film in GLAD growth, and the increase of the deposition rate induce the moderate decrease of the packing density.     

MPI在蒙特卡罗程序GMT中的应用和发展

针对ADS颗粒靶概念的研究和设计,中国科学院近代物理研究所自主研发了蒙特卡罗模拟软件GMT。为了提高GMT程序的计算效率,研究了MPI在GMT中的应用和发展,实现了大规模随机数在进程中的随机分配,并采用快速读写文件的方式替代了MPI相关数据通信函数,极大地提高了计算效率。并研究了不同规模计算实例进程数、加速比、效率之间的关系,确定了最大加速进程数及并行效率最高时的进程数,为科研工作者在计算资源和计算效率之间选择最优计算方案提供了科学依据。MPI在GMT中的成功应用使计算资源得到了充分、高效的利用,极大地提高了计算效率,解决了蒙特卡罗方法中大规模事件模拟计算时间长、计算不稳定等问题,在散裂靶大规模扫描计算中发挥了重要的作用。For the research and design of the ADS granular-flow target concept, the Institute of Modern Physics, CAS has developed a Monte Carlo simulation software (GPU-accelerated Monte Carlo Transport program, GMT). In order to improve the computational efficiency of the GMT program, development and application of MPI in GMT were studied, to realize random distribution of the large-scale random number in the sub processes. Rapid reading and writing files were employed instead of the MPI data communication function, which greatly improves the computational efficiency. Different scale calculations were performed to study the relationship of process instance number, speedup to find the maximum acceleration process number and the number of processes when parallel efficiency is highest, which provides a scientific basis for researchers to optimize the computational program between computational resources and computation efficiency. The successful application of MPI in GMT, utilizes the computing resources fully and efficiently, improves the computational efficiency, solve the long time cost and unstable problem of Monte Carlo method in large-scale event simulations, plays an important role in the large-scale scanning calculation of the spallation target.     

高温下金属薄膜生长初期的模拟研究

采用实际的生长模型和物理参量,用Monte Carlo方法对高温下金属薄膜的生长过程进行了模拟研究.综合考虑了原子沉积、扩散、成核、生长和扩散原子的再蒸发、原子沿岛周界扩散和岛的合并等众多过程后,模拟得到与实验结果相当一致的薄膜生长形貌及其相应的定量结果.通过动态统计薄膜生长过程中的岛数目及薄膜生长率,得到实验中不易直接获得的高温下薄膜生长的许多细节,如岛数目和薄膜生长率随表面温度、覆盖度变化的详细情况等 关键词： 薄膜 Monte Carlo模拟 成核 岛密度 薄膜生长率     

Simulation of multilayer Cu/Pd（100） heteroepitaxial growth by pulse laser deposition

The heteroepitaxial growth of multilayer Cu/Pd(100) thin film via pulse laser deposition (PLD) at room temperature is simulated by using kinetic Monte Carlo (KMC) method with realistic physical parameters. The effects of mass transport between interlayers, edge diffusion of adatoms along the islands and instantaneous deposition are considered in the simulation model. Emphasis is placed on revealing the details of multilayer Cu/Pd(100) thin film growth and estimating the Ehrlich--Schwoebel (ES) barrier. It is shown that the instantaneous deposition in the PLD growth gives rise to the layer-by-layer growth mode, persisting up to about 9 monolayers (ML) of Cu/Pd(100). The ES barriers of The heteroepitaxial growth of multilayer Cu/Pd（100） thin film via pulse laser deposition （PLD） at room temperature is simulated by using kinetic Monte Carlo （KMC） method with realistic physical parameters. The effects of mass transport between interlayers, edge diffusion of adatoms along the islands and instantaneous deposition are considered in the simulation model, Emphasis is placed on revealing the details of multilayer Cu/Pd（100） thin film growth and estimating the Ehrlich-Schwoebel （ES） barrier. It is shown that the instantaneous deposition in the PLD growth gives rise to the layer-by-layer growth mode, persisting up to about 9 monolayers （ML） of Cu/Pd（100）. The ES barriers of 0.08 ± 0.01 eV is estimated by comparing the KMC simulation results with the real scanning tunnelling microscopy （STM） measurements,     

Simulation of multilayer homoepitaxial growth on Cu （100） surface

The processes of multilayer thin Cu films grown on Cu (100) surfaces at elevated temperature (250--400\,K) are simulated by mean of kinetic Monte Carlo (KMC) method, where the realistic growth model and physical parameters are used. The effects of small island (dimer and trimer) diffusion, edge diffusion along the islands, exchange of the adatom with an atom in the existing island, as well as mass transport between interlayers are included in the simulation model. Emphasis is placed on revealing the influence of the Ehrlich--Schwoebel (ES) barrier on growth mode and morphology during multilayer thin film growth. We present numerical evidence that the ES barrier does exist for the Cu/Cu(100) system and an ES barrier $E_{\rm B} >0.125$\,eV is estimated from a comparison of the KMC simulation with the realistic experimental images. The transitions of growth modes with growth conditions and the influence of exchange barrier on growth mode are also investigated.