Pt_111_表面低能溅射现象的分子动力学模拟
Pt(111)表面上表层Fe(FeO)结构和次表层Fe结构的可控转变
Ｃｏ ｔｏｌｄＴ ａ ｓ ｒ ｔ ｎｏ ｅＳｒ ｃｕ ｅ ｆ ｕ ｆｃ ｅ（ ｅ ａ ｄ ｎｒ ｌ ｒ ｎ ｆ ｍａｉ ｆ ｈ ｔｕ ｔ ｒｓ ｒａ ｅ ｅ ｏ ｏ ｔ ｏＳ Ｆ Ｆ Ｏ） ｎ Ｓ ｂ ｕ ｆｃ ｅｏ ｔ１１ ｕ ｓ ｒａ ｅ ｎＰ （１） Ｆ
Ａｂ ｔａｔ Ｍ ｏ ｏａｅ ｅｆ ｍｓｏ ｔ１ １ ｎ ｅｒ ｅ ｖ ｄｓ ｕ ｔｒｓｕ ｄ ｒ ｉｅｅ ｔ ｎ ｉ ｎ ｎｓｗｅｅｉｖ ｓｉａｅ ｙｓａｎｎ ｎ ｅｉｇ ｓｒ ｃ： ｎ ｌｙ ｒＦ ｌ ｎＰ（ｌ、ａ ｄｔ ｉ ｒ ｅ ｔ ｃｕｅ ｎ ｅ ｆ ｒｎ ｖｒ ｍｅ ｔ ｉ ｈ ｄｉ ｒ ｄｉ ｅ ｏ ｒ ｅｔ ｔｄｂ ｃｎ ｉｇｔ ｎ ｌ ｎ ｇ ｕ ｎ
得表 面 Ｆ （ｅ 和 次 表 面 Ｆ 可 以重 复 地 转变 ． ｅＦＯ） ｅ 本研 究实 现 了多 种 Ｆ—ｔ 面 结 构 的可 控 制 备 ， 为 合 理地 设 计 高 效 、 廉 的 催化 ｅＰ 表 可 价
剂提 供 借 鉴．
关键 词 ：双金 属 催 化 剂 ； 化 物 ： ｔ 集 表面 ：反 相模 型 体 系 氧 Ｐ富
饪
２ ｌ Ｏ０ 文章 编号： ２ ３９ ３ （０ ００ ．０ ４ ０ ０ ５ －８ ７２ １） １０ ２ —９
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Ｖｌ ｌ ｏ１ ｂ＿ ． ３Ｎ
研究论 文： ４ ３ ２～ ２
Ｃ ｉｅｅ ｏ ｒａ ａａ ｓ ｈｎｓ ｕｎ ｌｆＣ ｔｌ ｉ Ｊ ｏ ｙ ｓ
Ｄ ： ０ ７ ４Ｓ ． １ ８ ． １ ． ８ １ ＯＩ １ ． ２ ／Ｐ ． ８２ ０ ０ ２ ３ Ｊ０ ０ ９
摘 要 ：利 用 扫描 隧道 显微 镜 （ Ｔ 和 ｘ射 线光 电子 能 谱 （ Ｓ 对 Ｐ（ １ ） 面 制 备 的 Ｆ 单 层 薄膜 及 其 在 不 同环 境 气 氛条 件 下 的 Ｓ Ｍ） ＸＰ ） ｔ １表 １ ｅ 多种 结 构进 行 了研 究． 温 度 为 ４ ７ 在 ８ Ｋ的 Ｐ （ ｌ） 面 制备 出 了完 整 的 Ｆ 单 层 薄膜 Ｆ ／ｔ１ １． Ｆ ／ ｔ １ ） 次 升 高 温度 进 行 超 ｔ１ １ 表 ｅ ｅＰ（ １ ） 对 ｅＰ（ １ 依 １
H2在Fe,Pt,Ni表面解离的模拟研究
石 油 炼 制 与 化 工 ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＡＮＤＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＳ
２０１９年 ２月 第５０卷 第２期
犎２ N 犉犲犘狋犖犻CAFG=>
王春璐，解增忠，赵 毅，赵晓光，王丽新，任 强，叶蔚甄
（中国石化石油化工科学研究院，北京 １０００８３）
摘 要：采用基于密度泛函理论的分子模拟手段，以工业常用的金属催 化 剂 Ｆｅ，Ｎｉ，Ｐｔ为 代 表，构 建 了 催 化 剂 模 型，通 过对 Ｈ２ 在不同金属表面的吸附构象、解离能垒以及电子密度 分 布 变 化 情 况 进 行 考 察，研 究 Ｈ２ 在 上 述 模 型 上 的 吸 附 与 解 离过程。结果表明，Ｈ２ 在不同金属表面的物理吸附构象存在差异，可能与不同金属晶胞结构及其表面结 构 存 在 差 异 有 关。 解离能垒研究结果表明，Ｈ２ 在 Ｆｅ，Ｐｔ，Ｎｉ这３种过渡 金 属 表 面 解 离 的 能 垒 较 为 接 近，其 中 在 Ｆｅ（１１０）面 解 离 的 能 垒 最 低。 解离过程中的电子云密度分布变化表明，Ｈ２ 在３种金 属 表 面 存 在 着 相 同 的 电 荷 转 移 趋 势，推 测 Ｈ２ 的 解 离 是 通 过 过 渡 金 属的 ｄ轨道与 Ｈ２ 的 σ 反键轨道间的相互作用实现的。
王春璐，等．Ｈ２ 在 Ｆｅ，Ｐｔ，Ｎｉ表面解离的模拟研究
５１
图 １ 金 属 催 化 剂 模 型 示 意
１２ 分 子 模 拟 计 算 方 法
本课题涉 及的 吸 附考察 采用分 子 模 拟 软 件 ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ８．０ 中 基 于 蒙 特 卡 洛 模 拟 退 火 方 法 的 Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｌｏｃａｔｅｒ 模 块 进 行，力 场 采 用 ＣＯＭＰＡＳＳ，温度 循 环 次 数 设 定 为 ２００，每 次 温 度 循环中的模拟步数设定为 １．５×１０５步；涉 及 的 Ｈ２ 解离的相关考察 采 用 基 于 密 度 泛 函 理 论 的 ＤＭｏｌ３ 模块进行。ＤＭｏｌ３ 能够 对 体 系 的 几 何 结 构 和 电 子 分布进行 分 析，并 对 基 元 反 应 的 过 渡 态 进 行 搜 索 并计算反应能垒。参数设置选用基于广义梯度近 似（ＧＧＡ）的 ＢＬＹＰ 泛 函，在 大 数 值 基 组 ＤＮＰ４．４ 水平上进行全电 子计 算。过 渡 态 搜 索 采 用完 全 线性同步，涉 及 到 的 能 量 计 算 均 进 行 了 零 点 整 动 能（ＺＰＶＥ）校 正，自 洽 场 （ＳＣＦ）迭 代 收 敛 的 阈 值设置为 １×１０－５ Ｈａ（１ Ｈａ＝２６２５．５ｋＪ?ｍｏｌ）， Ｓｍｅａｒｉｎｇ收敛精度设置为０．０１ Ｈａ。
催化-8-2
带入上面得: ErI = q - S/2 + U/2 = q –(QAB + QCD)
ErII = -q + S/2 + U/2= -q +( QAC + QBD) 对某一反应: U, S 是常数, ErI , ErII 只与吸附q有关, 而不同的催化 剂有不同的q. 若以q和E为坐标做图，当反应物为吸热反应时，QAB + QCD > QAC + QBD, U<0, 曲线如图a, 当反应物为放热反应时，QAB + QCD<QAC + QBD, U>0, 曲线如b，均为火山型曲线。 其中曲线交点E，意味着ErI =ErII, 这时, q = S/2, ErI =ErII = 1U/2， 对于反应所选某一催化剂，若它与反应物及生成物的总吸附键 能q位于E点左侧，即q<S/2，吸附能小于反应物和产物键能和
(100)
(110)
(111)
当n-m为0.248时， = 105, 当n-m为0.351时， = 122.6 由于105-109=4太小，强吸附，加氢活性差 。 而在100，110晶面上有0.351nm的m-m，所以加氢活性比在(111)
8.2.2 与d%关联
晶面好，由于Rh,Pd,Pt晶体内m-m介于0.36-0.36nm，更大，所 以活性好，而Fe,W 则由于太大，乙烯无法双位吸附，所以 活性小。
Q, kcal/mol
8.2.2 与d%关联
140
8.2.2 与d%关联
金属Cat表面与反应物的作用强弱，与金属Cat表面原子的电子 性质有关，而吸附热的强弱,催化反应活性大小只是它们相互 之间作用强弱的表现形式，催化过程要求这种相互作用既不 特强又不特弱,作用太强，成为反应控制的化学计量反应，速 度慢，太弱，不能使反应物活化，这就是火山型关系揭示的 催化作用的一个性质。 8.2.3: 多位理论：上世纪50年代由苏联科学家bilanjin提出的. 多位理论：在金属催化反应中，需要几个具有一定几何排布的 的金属原子（活性中心）协同作用才能完成反应，这几个被 称为活性中心的金属原子组成一个多位体，多位体的几何性 质与反应物的几何结构要相适应－几何对应原则，反应物吸 附活化所放出的能量与产物脱附所需要的能量相对应－能量 对应原则。
lammps原子溅射
lammps原子溅射LAMMPS（大型分子模拟程序）是一种用于原子尺度和粒子尺度模拟的软件包，可以模拟多种材料和系统，包括原子溅射。
原子溅射是指当高能粒子撞击固体表面时，表面原子被击出并沿着不同的方向溅射出去的现象。
在材料科学和表面科学研究中，原子溅射是一个重要的现象，因为它可以导致材料的损伤、腐蚀和形貌变化。
原子溅射的模拟可以帮助我们更好地理解溅射过程中的原子行为和相互作用。
LAMMPS提供了一种强大的工具，可以模拟原子溅射过程，并研究溅射深度、溅射角度、溅射通量等参数的影响。
在LAMMPS中，原子溅射可以通过定义一个高能粒子束和一个固体靶来模拟。
高能粒子束可以是离子束或中子束，而固体靶可以是任何类型的材料。
通过设置粒子束的能量和角度，以及靶材料的性质，我们可以模拟不同的原子溅射实验。
LAMMPS使用分子动力学模拟方法来模拟原子溅射。
在模拟中，每个原子都被看作是一个质点，其运动由牛顿运动定律决定。
通过计算原子之间的相互作用力，确定原子的运动轨迹和溅射行为。
模拟的结果可以显示溅射深度、溅射角度、溅射通量等参数，并可以进一步分析原子与材料之间的相互作用。
通过LAMMPS模拟原子溅射，我们可以研究不同因素对溅射过程的影响。
例如，我们可以改变粒子束的能量和角度，研究它们对溅射深度和溅射角度的影响。
我们还可以改变靶材料的性质，如晶格结构和化学成分，研究它们对溅射行为的影响。
除了模拟原子溅射过程，LAMMPS还可以模拟其他与原子溅射相关的现象，如表面损伤、表面形貌变化和材料腐蚀。
这些模拟可以帮助我们更好地理解原子溅射对材料性能的影响，为材料设计和表面工程提供指导。
LAMMPS是一种强大的工具，可以模拟原子溅射过程，并研究溅射参数的影响。
通过LAMMPS的模拟，我们可以深入了解原子溅射的机制，为材料研究和应用提供重要的参考。
pt(111)面单个原子面积
一、什么是面单个原子面积面单个原子面积是指在晶格中单个原子所占据的表面积。
在材料科学和纳米技术领域，研究面单个原子面积对于理解材料的特性和性能至关重要。
通过研究材料的面单个原子面积，可以深入了解材料的结构、稳定性以及其在各种领域的应用潜力。
二、面单个原子面积的计算方法面单个原子面积的计算方法主要包括实验测量和理论计算两种途径。
实验测量通常通过扫描隧道显微镜（STM）等工具来测量材料表面上的原子排列情况，然后通过相应的算法计算出面单个原子面积。
而理论计算则是通过量子力学理论和分子动力学模拟等手段，从原子和分子的角度出发，建立相应的数学模型，计算出面单个原子面积的数值。
三、面单个原子面积对材料性能的影响面单个原子面积对材料性能的影响是巨大的，它直接关系到材料的表面活性、化学反应速率、力学性能等方面。
在纳米材料领域，面单个原子面积更是至关重要，因为纳米材料的特性往往受到其表面原子的数量和排列方式的影响。
通过研究和调控面单个原子面积，可以改变材料的表面性质，从而拓展其在光电、催化、储能等领域的应用。
四、面单个原子面积在纳米技术中的应用在纳米技术领域，研究面单个原子面积有着广泛的应用前景。
通过调控表面原子的排列，可以制备出具有特殊性能的纳米材料，比如具有高催化活性的纳米催化剂，具有特定光学性能的纳米光学材料等。
在纳米电子器件和纳米传感器中，面单个原子面积的研究也扮演着重要角色。
五、面单个原子面积的研究现状目前，随着纳米技术和表面科学领域的发展，面单个原子面积的研究也得到了迅速的发展。
越来越多的实验技术和计算方法被应用于面单个原子面积的研究中，越来越多的学者开始关注面单个原子面积对材料性能的影响，不少优秀的研究成果也在学术期刊和国际会议上得到了充分的展示。
六、面单个原子面积的未来展望随着科学技术的不断进步，面单个原子面积的研究将迎来更加广阔的发展空间。
未来，随着新材料、新技术的出现，面单个原子面积的研究将变得更加精准和深入，这必将为材料科学和纳米技术的发展带来新的突破和进步。
【国家自然科学基金】_分子动力学(md)模拟_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731
推荐指数 19 11 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
推荐指数 14 7 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
推荐指数 4 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
飞秒激光辐照铜箔的材料去除机理及分子动力学模拟
飞秒激光辐照铜箔的材料去除机理及分子动力学模拟李江澜;汪帮富;丁雯钰;宋娟;王中旺【摘要】利用双温模型来结合分子动力学方法分析研究飞秒激光辐照铜箔烧蚀时产生的传热效应,同时对烧蚀过程进行数值模拟.利用分子动力学的方法对飞秒激光辐照后,铜箔表面发生熔化和喷溅,同时就飞秒激光烧蚀铜箔时的作用机理进行了研究.实验表明,慢慢增加飞秒激光的作用时间,激光的能量被材料渐渐地吸收和传递,铜箔中的铜原子渐渐从面心立方的规则排列向无序松散排列转变.数值模拟研究的结果表明分子动力学已经可以用于研究飞秒激光对材料辐照效应和烧蚀机理.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2019(000)002【总页数】5页(P79-83)【关键词】激光;双温模型;激光烧蚀;分子动力学【作者】李江澜;汪帮富;丁雯钰;宋娟;王中旺【作者单位】苏州科技大学天平学院,江苏苏州215009;苏州科技大学,江苏苏州215009;苏州科技大学,江苏苏州215009;苏州科技大学,江苏苏州215009;苏州科技大学,江苏苏州215009;苏州科技大学,江苏苏州215009【正文语种】中文【中图分类】TN24飞秒激光往往加工金属材料时具有一定的特性，例如:快速融化凝固、效率高、“无热”加工等等优点，现在飞秒加工已经成为一种新型的微细加工手段[1-2]，国内外很多学者通过数值模拟和实验论证来研究飞秒激光的加工作用机理。
飞秒激光辐照铜箔等金属材料的过程，不仅仅是普通的物理变化过程，还有很多复杂的材料熔化、等离子体、喷溅等其他因素变化[3-6]。
L.A.Falkovsky等[7]利用数值模拟的方法对飞秒激光加工金属材料时产生材料熔化和喷溅问题进行了研究，结合玻尔兹曼方程和费米-狄拉克配分函数，推导出一种热电子爆炸模型。
后来，J.K.Chen等[8]为了更好地研究飞秒激光作用材料时的两步传热特性，提出了一种宏观尺度的模拟方法:双曲双温模型[9-11]。
rpd溅射原理
rpd溅射原理RPD溅射原理引言：RPD溅射（Reactive Pulsed Deposition）是一种薄膜制备技术，通过高能量离子束轰击靶材表面，使靶材表面原子释放出来并沉积在基底上形成薄膜。
本文将介绍RPD溅射原理及其应用。
一、RPD溅射原理1. 离子束轰击RPD溅射中，使用离子束轰击靶材表面。
离子束是由离子源产生的，通过加速器加速到一定能量后轰击靶材表面。
离子束的能量决定了靶材表面原子的释放程度。
2. 靶材原子释放当离子束轰击靶材表面时，靶材表面原子会受到离子束的冲击而释放出来。
这些释放的原子会以高能量的形式沉积在基底上。
离子束的轰击使得靶材表面原子与基底原子发生碰撞并结合。
3. 薄膜沉积释放的原子沉积在基底上，形成一层薄膜。
这些原子在基底表面扩散并结合，形成致密的薄膜结构。
薄膜的性质取决于靶材的成分和离子束的能量。
二、RPD溅射的应用1. 防护膜由于RPD溅射制备的薄膜具有致密的结构和优异的附着力，可以用于制备防护膜。
防护膜可以在金属表面形成一层保护层，防止金属表面受到氧化、腐蚀等因素的侵蚀。
2. 光学薄膜RPD溅射可以制备高质量的光学薄膜。
通过控制离子束的能量和靶材的成分，可以制备出具有特定折射率、透过率和反射率的光学薄膜。
这些薄膜在光学器件和光学仪器中有着广泛的应用。
3. 硬质涂层RPD溅射制备的薄膜具有高硬度和耐磨性，可以用于制备硬质涂层。
硬质涂层可以提高材料的抗磨损性能，延长材料的使用寿命。
因此，RPD溅射在汽车、航空航天等领域有着重要的应用。
4. 电子器件RPD溅射可以制备高质量的导电膜和绝缘膜，用于制备电子器件中的电极和绝缘层。
这些薄膜具有良好的导电性和绝缘性能，能够提高电子器件的性能和稳定性。
总结：RPD溅射是一种常用的薄膜制备技术，通过离子束的轰击和靶材表面原子的释放，可以制备出具有特定性质的薄膜。
RPD溅射在防护膜、光学薄膜、硬质涂层和电子器件等领域有着广泛的应用。
随着科技的不断进步，RPD溅射技术将会得到更广泛的应用和发展。
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物理学报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 55, No. 3, March, 2006 n 2006 Chin. Phys. Soc.
Pt( 111) 表面低能溅射现象的分子动力学模拟*
表面相互作用涉及多体碰撞问题, 一直没有形成比 较完善的溅射理论. 所以, 基于分子动力学( MD) 的 计算机模拟成为研究低能粒子与表面相互作用以及 低能表面溅射现象的主要手段. 1968 年, Harrison 等 人利用分子动力学 方法模拟了 keV Ar+ 离子在 Cu 表面的溅射行为[ 3] . 此后, 分子动力学模拟被广泛应 用于低能表面现象的研究中. Kress 等人利用分子动 力学模拟了 10 ) 150 eV 范围内 Cu, Ni, Al 等金属的 自溅射现象, 计算了溅射产额、钉扎概率与入射角和 入射能量之间 的关系[ 4, 5] ; Abrams 和 Graves 利 用分 子动力学研究了 Cu 的溅射产额和溅射阈值随入射 角的变化, 并给出了钉扎系数与能量关系的经验公 式[ 6] ; Feil 等人利用分子动力学模拟解释了低能 Ar 离子轰击 Cu 的过程中 Ar 在 Cu 表面的俘获与发射 机理[7] ; 此外, 人们在低能溅射实验方面做了大量工 作[ 8, 9] , 为溅射理论的完善和分子动力 学模拟结果 的可靠性验证提供了必要的实验基础.
图 1 模拟中所采用的晶体模型
分子动力学模拟研究中选用的基体是一个具有 周期性边界、表面取向为( 111) 方向的平滑表面的计 算单胞( 如图 1 所示) . 单胞体积为 3 6 a0 @ 5 2 a0 @ 4 3 a0 ( a0 = 01392nm 为 Pt 的晶格常数) , 其中包 含有 1440 个原子, 每层有 120 个原子, 共分十二层 以满足低入射能量( 011 eV) 和高入射能量( \30 eV) 的模拟过程. 我们选择了 Pt ( 111) 基体及 Ni, Pd, Pt , Cu, Ag 和 Au 等六种入射原子作为研究对象. 由于我 们所关注的是低能原子的溅射行为, 所以在模拟中 入射原子的能量从 011 eV 变化到 200 eV. 基体温度 选择为 300 K. 在进行模拟之前, 理想表面经过了一 个 3 ps 的等温弛豫过程, 以保证基体表面的微观状 态更接近于真实的基体表面的初始状态. 入射原子 从基体上方可以忽略原子间相互作用的位置垂直入
有关溅射过程的理论研究起始于 20 世纪 60 年 代 初[1] . 直 到 1969 年, Sigmund[2] 在 Linhard 和 Thompson 等人工作的基础上, 提出了基于线性级联 碰撞理论的溅射产额公式, 并在 keV 到 MeV 的能量 范围内得到了很好的实验验证. 但由于低能粒子与
在低能溅射的情况下, 轻原子的溅射产额大于重原 子的原因. 另外, 从拟合公式中, 可以发现: 影响溅射 产额的另一个因素是 入射原子与基体原子的 质量 比. 在 Sigmund 的线性级联溅射理论中, 也有一个与 入射原子和基体原子的质量比有关的因子 A. 当入 射原子与基体原子的质量比小于 1 时, A随入射原 子与基体原子质量比 的增加而基本呈线性下 降趋 势. 这说明: 在低能溅射的情况下, 基体表面的溅射 机理与高能溅射有着本质的不同. 即导致低能溅射 的主要原因并不是靶原子的级联碰撞过程.
Eth =
32. 53M2 E th
Z1 Z2( M1 +
M
2)
(
Z
0. 1
23
+
Z
0. 2
23 )
.
( 2)
通过对模拟结果的约化能量处理, 我们发现溅射产 额与约化能量满足如下的函数关系:
Y=
M1 M2
[
0.
0085(
E-
Eth ) ] .
( 3)
图 3 给出了不同种类的入射原子溅射产额随约 化能量的变化. 从图中可以看出: 各种入射原子的溅 射产额与拟合结果之间的离散非常小. 根据约化能 量的处理可以看出: 在相同入射能量条件下, 轻原子 的约化能量大于重原子的约化能量. 换句话说, 当入 射原子的能量大于溅射阈值时, 决定溅射产额大小 的能量因素是入射原子的约化能量, 这就是为什么
颜 超 吕海峰 张 超 张庆瑜
( 大连理工大学三束材料改性国家重点实验室, 大连 116024) ( 2005 年 1 月 21 日收到; 2005 年 9 月 12 日收到修改稿)
利用嵌入原子方法的原子间相互作用势, 通过分子动 力学模拟, 详细研究了贵金属原子在 Pt ( 111) 表面的低能 溅射现象. 模拟结果显示: 对于垂直入射情况, 入射原子的 质量对 Pt ( 111) 表面的溅射阈值影响不大. 当入射原子的 能量 小于溅射阈值时, 入射原子基本以沉积为主; 当入射原子的能量大于溅射阈值时, 溅射产 额随入射原 子能量的 增加 而线性增大; 当入射原子能量达到 200 eV 时, 各种入射原子的溅射产额都达 到或接近 1, 此时入射原 子主要起 溅射 作用. 溅射原子发射的角分布概率和溅射花样与高能 溅射相类似. 研究表明: 与基于二体 碰撞近似的 线性级联 溅射理论不同, 当入射原子能量大于溅射阈值时 , 低能入射原 子的溅 射产额 正比于 入射原子 的约化 能量和 入射原 子与基体原子的质量比. 通过对低能入射原子的 钉扎能力分析, 提出了支配低能溅射的入射原子反射物 理机理.
31 结果与分析
3111 溅射产额
图 2 是在基体温度为 300 K 时, Ni, Pd, Pt 和 Cu, Ag, Au 原子入射 Pt ( 111) 表面时的溅射产额随入射 原子能量的变化. 从模拟结果中可以发现: 对于以不 同的能量入射的原子来说, 存在一个明显的溅射阈 值, 这个值大约在 30 ) 40 eV 之间. 根据溅射理 论, 溅射阈值 Eth ~ 4U0 , 其中 U0 为表面键能[ 16] . 根据 Pt 的表面键能得到 Pt 的溅射阈值在 20eV 左右. 由于 溅射阈值的准确测量需要有足够的统计量, 因此, 实 验或模拟所得到的溅射阈值不超过理论结果的两倍 便被认为是吻合的[ 17] . 实际上, 我们的 模拟结果与 Wehner 等人通过大量溅射实验所确定的各种材料 的溅射阈值是一致的[ 18, 19] .
溅射阈值存在的原因是基体原子脱离表面时需 要克服表面势垒的束缚. 换句话说, 入射能量小于溅 射能量阈值的载能粒子可以认为是沉积原子. 从以 上的模拟结果上看, 对于 Pt ( 111) 表面来说, 当入射 的金属原子的能量低于 40 eV 时, 基本上都可以认 为是沉积原子, 此时不产生基体原子的溅射. 而当入 射原子的能量大于溅射阈值时, 随着入射能量的增 加, 六种入射原子所产生的溅射产额呈现类似的线 性增加. 这一结果与 Abrams 的分子动力学模拟结果 是一致的[ 6] . 当入射能量达到 200 eV 时, 其溅射产 额都已经达到或接近 110. 这一结果表明: 此时的入 射原子的作用主要是导致表面原子的溅射, 其沉积 效应显著降低. 这一结果与 Anders 最近有关阴极弧 沉积厚度与偏压关系研究中所得到的结论在定性上 是一致的[ 20] .
一个值得注意的现象是在相同的入射能量条件 下, 轻原子入射所产生的溅射产额要大于重原子入 射的溅射产额, 这一现象在入射 原子的能量为 200 eV 时尤为明显. 这一结果与基于二体碰撞近似的线 性级联理论的结论是完全相反的. 在入射原子能量
3期
颜 超 等: Pt( 111) 表面低能溅射现象的分子动力学模拟
基于半经验原子间相互作用势的计算机模拟是 薄膜生长及表面溅射现象研究的重要手段之一. 但 是, 实际的低能粒子与固体表面相互作用过程是一 个极为复杂的非平衡动力学过程. 从分子动力学的 观点看, 它所包含的为数众多的原子不仅是分子动 力学所无法逼近的, 所涉及的时间尺度也是分子动 力学所无法完成的. 因此, 在我们的分子动力学模型 中采用了等温近似、半无限大基体近似和准自由表 面近似, 具体的物理模型见文献[ 11] .
* 国家自然科学基金委员会- 中国工程物理研究院联合基金( 批准号: 10476003) 资助的课题. E_mail: qyzhang@ dlut . edu. cn
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物理学 报
55 卷
主要研究低能原子种类对表面溅射的影响, 了解不 同原子种类在低能表面溅射中的作用, 并通过模拟 低能原子与表面的相互作用过程, 探讨低能表面溅 射现象的物理机理.
为了进一步探讨低能溅射的基本规律, 我们把 各种入射原子的能量进行了约化处理. 采用汤家镛 等人的处理方案, 入射原子的约化能量为[ 22]
E=
32. 53M2 E
Z1Z 2( M1 0. 23 1
+
Z
0. 2
23
)
,
( 1)
其中 M1 , Z 1 和 M2 , Z2 分别为入射原子与靶原子的 原子量和核电荷 数, E 为入射原子 的能量, 单位为 keV. 这样, 对于不同的入射原子, 其约化的溅射能 量阈值为
关键词: 分子动力学模拟、低能溅射 PACC: 6855
11 引 言
在薄膜合成过程中提高整体或部分沉积粒子的 能量是改善薄膜质量的重要手段, 如离子束辅助沉 积、脉冲激光溅射沉积、过滤离子束沉积、加速分子 束外延生长等均是以提高沉积离子、原子或原子团 能量的薄膜制备技术. 即使在基于低温等离子体技 术的 CVD, PVD 薄膜合成中, 人们也通过施加工件 负偏压的方法提高沉积离子的能量. 整体或部分沉 积粒子的能量提高, 不仅降低了薄膜合成的基体温 度, 而且显著改善了薄膜的宏观性能. 但是沉积能量 的提高也会同时导致表面缺陷和溅射的产生. 所以, 研究低能粒子与表面的相互作用, 了解粒子种类和 粒子能量等物理参数对表面溅射的影响, 不仅对于 更深入地探讨低能粒子对薄膜生长模式的影响以及 作用机理具有重要的理论意义, 而且对改进和优化 薄膜合成工艺、提高薄膜质量具有一定的实用价值.