含氢碳膜的生长机制: 分子动力学模拟研究低能量CH基团的作用

探索等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术中含氢碳膜的生长机理, 制备出常态超润滑含氢碳膜是表面工程技术领域的目标之一. 基于REBO势函数, 采用分子动力学模拟方法, 通过对比研究CH基团在清洁金刚石和吸氢金刚石表面的沉积行为, 发现低能量CH基团在清洁金刚石(111)面上的吸附效率大于98%, 而在吸氢金刚石(111)面上的吸附效率低于1%. 结果表明PECVD法制备含氢碳膜时, 低能量CH基团对薄膜生长的贡献主要来自于其在表面非饱和C位置的选择性吸附.     

电子助进化学气相沉积金刚石中发射光谱的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法，对源料气体为CH4/H2混合气的电子助进化学气相沉积（EACVD）中 的氢原子(H)、碳原子(C)以及CH基团的发射过程进行了模拟.研究了CH4浓度、反应室气压 和衬底偏压等工艺参数对发射光谱及成膜的影响.研究发现，CH基团可能是有利于金刚石薄 膜生长的活性基团，而碳原子不是；偏压的升高可提高电子平均温度及衬底表面附近氢原子 的相对浓度；通过氢原子谱线可测定电子平均温度并找到最佳成膜实验条件.该结果对EACVD 生长金刚石薄膜过程中实时监测电子平均温度，有效控制工艺条件，生长出高质量的金刚石 薄膜具有重要的意义. 关键词： 蒙特卡罗模拟 金刚石薄膜 发射光谱     

金刚石表面无定形碳氢薄膜生长的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法研究了CH₂基团轰击金刚石(111)面所形成的无定形碳氢薄膜(a-C:H)的生长过程. 结构分析表明, 得到的无定形碳氢薄膜中碳原子的局域结构(如C–C第一近邻数)与其中氢原子的含量密切相关. CH₂ 基团入射能量的增加会导致得到的薄膜的氢含量降低, 从而改变薄膜中类sp³成键碳原子的比例.     

脉冲激光制备类金刚石薄膜及原位激光等离子体发射光谱

用ＹＡＧ脉冲激光轰击真空室内的石墨靶,可以形成包含碳素的激光等离子体,并在硅或石英衬氏上淀积形成某种类型的碳膜。用光学多道分析仪原位测量了激光等离子体的发射光谱,给出反应空间可能存在的反应基团有碳原子、碳离子、碳分子等,用拉曼光谱研究了薄膜的结构,证明所形成的薄膜为类金刚石膜,并得出碳原子和碳离子与薄膜的类金刚石结构有关。制备过程中,氢的参与有利于薄膜中金刚石成分的形成。空间分辨的原位激光等离子体发射光谱表明,在反应空间存在薄膜形成的最佳位置。     

单空位缺陷对载能氢原子与石墨层间碰撞的能量交换的影响的分子动力学研究

本文采用分子动力学方法研究空位缺陷对石墨层中碳氢粒子碰撞的影响.将氢原子以不同能量分别向单空位缺陷边缘的两个碳原子轰击,分析了入射氢原子的能量损失、发生吸附反应的能量范围和靶原子的能量传递过程.研究发现,单空位缺陷边缘的碳氢粒子更易发生吸附反应;在碳氢粒子正碰过程中,氢原子随入射能量变化出现了双反射区域;碳氢粒子在空位缺陷边缘吸附后,形成了高结合能的sp²结构,并出现悬挂键,其临近的碳碳键能未降低;单空位缺陷边缘的碳原子吸附氢原子能量的能力强而传递能量的能力弱.这些结果对理解聚变反应 关键词： 面向等离子体材料 分子动力学方法 单空位缺陷     

氮气氛下(100)织构金刚石薄膜的成核与生长研究

利用热丝化学气相沉积法研究了氮气浓度对金刚石薄膜成核和生长的影响.实验发现氮气的 加入对金刚石成核密度影响不大,但促进了已形成的金刚石核的长大.适量的氮气不仅使金 刚石生长速率得到很大的提高,而且稳定了金刚石薄膜(100)面的生长,使金刚石薄膜具有 更好的(100)织构.利用原位光发射谱对衬底附近的化学基团进行了研究.研究表明,氮气的 引入使得金刚石生长的气相化学和表面化学性质发生了很大变化.含氮基团的萃取作用提高 了金刚石表面氢原子的脱附速率,从而提高了金刚石膜的生长速率.而含氮基团的选择吸附 使金刚石 关键词： 氮气 金刚石薄膜 织构 原位光发射谱     

无序碳单层的电子结构及氢原子吸附的第一性原理

本研究运用第一性原理计算方法,系统地研究了无序碳单层材料不同位点的电子结构及其析氢性能.计算结果显示无序结构中的C-C键相比于石墨烯中的C-C键在26.7%的范围内有不同程度的拉伸或压缩,使得C原子电荷在-0.17～+0.16个电子范围内变化,导致部分C原子电子局域化.电子的局域化增强了C原子的化学活性,从而表现出了较强的吸附性能.我们发现H原子与C原子的键合及析氢性能与C原子间的键角相关.对于三配位的碳原子,其中三个价电子通过sp~2杂化轨道与最邻近的碳原子结合形成较强的共价键,而余下的一个p_z轨道电子可以与H原子在垂直于原子层的方向形成较弱的化学键.无序结构可以打破三个sp~2杂化轨道的对称性,进而影响p_z轨道与氢的成键.本研究在一定程度上揭示了单层无序碳材料结构-性能的构效关系,为实验上设计特定性能的无序碳功能材料提供理论指导.     

基于原子运动模型的类金刚石薄膜生长机理研究

利用分子动力学模拟方法，从原子尺度上研究了类金刚石(DLC)薄膜生长过程. 按照运动特点把入射原子在表面的行为分为表面冷冻、迁移、注入和反弹等四种，并由此提出原子运动模型. 入射原子的表面行为对DLC薄膜的微观结构以及生长方式有重要影响. 其中原子水平迁移是薄膜热弛豫的主要途径，入射原子的注入和迁移行为相互竞争，决定了薄膜生长的模式和最终结构. 利用统计分析手段给出了入射能量对原子表面行为进而对薄膜结构的影响，加深了对DLC薄膜生长机理的认识.     

人工金刚石薄膜生长过程中有关反应活性的研究

用原子簇团模拟人工金刚石膜生长过程中的一些生长核,采用从头自治的DV-X_n方法对这些簇团和与生长过程有关的一些气相分子和基团(CH,CH_2,CH_3,·CH_3,CH_4·H,C_2H,C_2H_2,C_2H_4)进行了电子结构计算,从化学反应活性的角度探讨金刚石膜生长过程中这些气相分子和基团与生长核的反应活性,结果表明,CH,CH_2,CH_3,CH_4·H和变形的C_2H_2更易于与金刚石表面发生化学吸附。另外,通过分析簇团的电子态密度和前线分子轨道的组成情况,提出了人工金刚石膜生长中生长核长大的 关键词：     

氢的强化刻蚀对金刚石薄膜品质的影响与sp2杂化碳原子的存在形态

用化学气相沉积方法制备了金刚石薄膜.在制备过程中，通过间歇式关闭甲烷气体，强化了氢对sp2杂化碳原子的刻蚀.用拉曼光谱和金相显微镜对薄膜进行了分析表征.结果表明，氢对sp2杂化碳原子的强化刻蚀并未影响金刚石薄膜的品质和微观结构.这一结论说明，在金刚石薄膜中，sp2杂化碳原子主要存在于金刚石晶粒表面和晶界碳原子之间,而不是以石墨或无定形碳颗粒为主要存在方式. 关键词： 化学气相沉积 金刚石薄膜 拉曼光谱 强化刻蚀     

Molecular dynamical simulations on a-C:H film growth from atomic flux of C and H: Effect of H fraction

Molecular dynamical simulations are carried out to studying the hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) film growth from C and H atoms. The effects of the H fraction in source atoms and incident energy on the film formation are investigated. Our simulations show that almost all the H atoms incorporating into the films bond to carbon and the amount of H₂ molecules is very slight. Increasing the H fraction in source atoms raises the sp³-C fraction, leads to a linear increase of H concentration in film, but decreases the film growth rate. The influence of H fraction on the film growth mechanism is also discussed.     

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The molecular dynamics simulation of interaction between CH⁺ with various energy and fusion material tungsten is conducted. The simulated results show that in the incident process, the sputtering rates of C and H atoms change suddenly at the different exposure doses when the incident energy is 50, 100 and 150eV respectively, a few of W atoms are sputtered in the interaction process, but the sputtering rate is less than 0.24%. When the exposure dose is about 3.92×10¹⁶cm⁻², the incident energy is 50eV, a hydrocarbon firm without W atom is formed on the sample surface bombarded by the ions. A mixed film of W, C and H is formed at the other energy. The deposited rates of C and H atom first decrease then increase with the incident energy increament, the minimum deposited rats appear at 250 and 200eV respectively. The density profiles of C, H atoms, C−H, C−C, W−C bonds in the sample after bombardment move towards the inside of sample, and the C sp³ dominated the sample.     

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采用分子动力学方法模拟200eV的CH3粒子轰击到不同基底温度的钨样品上,分析了C、H原子在钨表面的沉积、散射及溅射情况,结果表明C、H原子的沉降量均随入射剂量的增加而增加。在基底温度为100K时,相同入射剂量下沉积的C原子最多,而当基底温度为1200K,在入射剂量大于1.5X1016cm-2时,C原子的沉降量小于其它基底温度下的C的沉降量。CH3在轰击样品时发生了分解,各种分解情况随基底温度变化较小,其中不同基底温度下一级分解率在40%上下波动,二级分解在23%左右,而完全分解的CH3在9%左右。C、H原子的散射角主要分布在5°~85°间,散射C原子分布的最大值分布在40%~50°或50°~60°间,散射C原子分布的最小值分布在0°~10°或80°~90°间;而不同基底温度下散射H原子分布的最大值均在40°~50°间,最小值均在0°~10°间。散射C原子的能量在0~140eV之间,散射能量为0~120eV的C原子占散射总量的98%以上,散射C原子平均能量随基底温度的增加而增加,其变化从65.5eV增加到68.5eV;散射H原子的能量也在0~140eV之间,但大约70%的散射H原子能量在40eV以内,散射平均能量随基底温度的增加而减小,其变化从13.92eV减小到13.05eV。     

分子动力学模拟H原子与Si的表面相互作用

通过分子动力学模拟了入射能量对H原子与晶Si表面相互作用的影响. 通过模拟数据与实验数据的比较, 得到H原子吸附率随入射量的增加 呈先增加后趋于平衡的趋势. 沉积的H原子在Si表面形成一层氢化非晶硅薄膜, 刻蚀产物(H₂, SiH₂, SiH₃和SiH₄)对H原子吸附率趋于平衡有重要影响, 并且也决定了样品的表面粗糙度. 当入射能量为1 eV时, 样品表面粗糙度最小. 随着入射能量的增加, 氢化非晶硅薄膜中各成分(SiH, SiH₂, SiH₃)的量以及分布均有所变化. 关键词： 分子动力学 吸附率 表面粗糙度 氢化非晶硅薄膜     

Simultaneous interaction of methyl radicals and atomic hydrogen with amorphous hydrogenated carbon films, as investigated with optical in situ diagnostics

Methyl radicals (CH₃) and atomic hydrogen (H) are dominant radicals in low-temperature plasmas from methane. The surface reactions of these radicals are believed to be key steps leading to deposition of amorphous hydrogenated carbon (a-C:H) films or polycrystalline diamond in these discharges. The underlying growth mechanism is studied, by exposing an a-C:H film to quantified radical beams of H and CH₃. The deposition or etching rate is monitored via ellipsometry and the variation of the stoichiometry is monitored via isotope labeling and infrared spectroscopy. It was shown recently that, at 320 K, methyl radicals have a sticking coefficient of 10^-4 on a-C:H films, which rises to 10^-2 if an additional flux of atomic hydrogen is present. This represents a synergistic growth mechanism between H and CH₃. From the interpretation of the infrared data, a reaction scheme for this type of film growth is developed: atomic hydrogen creates dangling bonds by abstraction of bonded hydrogen within a surface layer corresponding to the range of H in a-C:H films. These dangling bonds serve at the physical surface as adsorption sites for incoming methyl radicals and beneath the surface as radicalic centers for polymerization reactions leading to carbon–carbon bonds and to the formation of a dense a-C:H film. Received: 18 July 2000 / Accepted: 12 December 2000 / Published online: 3 April 2001     

Hydrocarbon film growth by energetic CH3 molecule impact on SiC (0 0 1) surface

Classic molecular dynamics (MD) calculations were performed to investigate the deposition of thin hydrocarbon film. SiC (1 0 0) surfaces were bombarded with energetic CH₃ molecules at impact energies ranging from 50 to 150 eV. The simulated results show that the deposition yield of H atoms decreases with increasing incident energy, which is in good agreement with experiments. During the initial stages, with breaking Si-C bonds in SiC by CH₃ impacting, H atoms preferentially reacts with resulting Si to form Si-H bond. The C/H ratio in the grown films increases with increasing incident energy. In the grown films, CH species are dominant. For 50 eV, H-Csp3 bond is dominant. With increasing energy to 200 eV, the atomic density of H-Csp2 bond increases.     

超薄类金刚石膜生长和结构特性的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法研究了2—3nm厚的类金刚石(DLC)薄膜在金刚石基体(100)表面上的生长过程. 分析了用来表征沉积后无定型碳膜质量的重要结构特性，如sp³杂化比例、薄膜密度、径向分布函数等，计算结果和现有的实验结果基本一致. 不同入射原子能量对结构特性进而对薄膜性能有重要影响，入射原子能量在20—60eV时，薄膜可以获得最优性能. 载能原子入射是生长均匀、连续、致密固体薄膜的前提，稳定的中间区域对于保证薄膜优良的力学性质是必需的. 关键词： DLC膜 分子动力学模拟 3杂化比例')" href="#">sp³杂化比例     

Atomistic study of deposition process of Al thin film on Cu substrate

In this paper we report molecular dynamics based atomistic simulations of deposition process of Al atoms onto Cu substrate and following nanoindentation process on that nanostructured material. Effects of incident energy on the morphology of deposited thin film and mechanical property of this nanostructured material are emphasized. The results reveal that the morphology of growing film is layer-by-layer-like at incident energy of 0.1-10 eV. The epitaxy mode of film growth is observed at incident energy below 1 eV, but film-mixing mode commences when incident energy increase to 10 eV accompanying with increased disorder of film structure, which improves quality of deposited thin film. Following indentation studies indicate deposited thin films pose lower stiffness than single crystal Al due to considerable amount of defects existed in them, but Cu substrate is strengthened by the interface generated from lattice mismatch between deposited Al thin film and Cu substrate.