摘 要

Ag纳米薄膜及多层金属薄膜因为其稳定的物理、化学性质以及在电学、光学和催化等方面表现出的卓越特性成为研究的热门，并且有了一系列的应用场景。但是其薄膜生长机理仍有待研究。

本文通过分子动力学模拟研究了银及银铝复合金属连续沉积于二氧化硅衬底上的薄膜生长过程，首先分析了温度对于Ag原子在衬底表面上的沉积影响。模拟结果表明，沉积温度和衬底温度的过高或过低都会导致Ag原子的沉积薄膜结构不理想，只有达到某一温度或入射速率的同时才能得到结构相对完美的Ag薄膜。如果温度过低，原子无法形成稳定的纳米团簇，从而无法在衬底表面形成均匀稳定的薄膜；而当温度升到过高时，会导致原本已经稳定了的团簇平均直径增大，而团簇的体积越大，沉积到衬底表面对沉积薄膜质量的影响也就越大，所以温度持续升高之后会出现越来越多的缺陷。紧接着我们分析了沉积速率对于Ag原子在衬底表面上的沉积影响。结果表明，过低的沉积速率对于薄膜的沉积是非常不利的，这会导致薄膜生长方式为岛状生长，衬底表面产生缺陷。而随着沉积速率的增加，薄膜的生长状况由岛状生长转变为典型的层状生长，会生成质量相对较好地薄膜，薄膜的表面也会相对平整光滑。然而如果是过高的沉积速率，会导致基面不稳定甚至破坏基面，最终会使得Ag原子在衬底表面上无法沉积。因此如果想对于薄膜进行可控制备，对于温度和沉积速率的控制至关重要。

关键词：Ag薄膜沉积；分子动力学；计算机模拟

Abstract

Silver films and multilayer metal films have been widely used because of their stable physical and chemical properties and their excellent performance in electricity, optics and catalysis. However, the mechanism of membrane growth remains to be revealed.

In this paper, the film growth process of continuous deposition of silver and silver aluminum composite metals on the silicon dioxide substrate was studied by molecular dynamics simulation. Firstly, the influence of temperature on the deposition of Ag atoms on the substrate surface was analyzed. The simulation results show that the high or low deposition temperature and substrate temperature will lead to the unsatisfactory structure of Ag films, and the relatively perfect structure of Ag films can be obtained only when a certain temperature or incident rate is reached. If the temperature is too low, the atoms cannot form stable nanoclusters and thus cannot form uniform and stable films on the substrate surface. However, when the temperature rises too high, the average diameter of clusters that have been stabilized will increase. The larger the size of clusters, the greater the influence of deposition on the substrate surface on the quality of deposited films will be. Therefore, more and more defects will appear after the temperature continues to rise. The influence of the deposition rate on the deposition of Ag atoms on the substrate surface was analyzed. The results show that too low deposition rate is very unfavorable to the deposition of the thin film, which leads to the island growth mode of the film and defects on the substrate surface. With the increase of deposition rate, the growth condition of the film changes from island growth to typical layered growth, and the film with relatively good quality will be generated, and the surface of the film will be relatively flat and smooth. However, if the deposition rate is too high, it will lead to the instability of the base plane or even damage the base plane, which will eventually prevent Ag atoms from depositing on the substrate surface. Therefore, the control of temperature and deposition rate is very important if you want to conduct controlled preparation of thin films.

KeyWords: Ag thin film deposition; Molecular dynamics; Computer simulation

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第一章 绪论 4

1.1论文研究背景 4

1.2 课题的研究现状 4

1.2.1 金属薄膜沉积研究现状 4

1.2.2 分子动力学研究现状 5

1.3 本文研究思路及结构安排 6

第二章 模型与方法 6

2.1.引言 6

2.2模型的建立 6

2.3 计算分析方法 7

2.4 本章小结 8

第三章 温度对于薄膜沉积的影响 8

3.1 引言 8

3.2 沉积温度的影响 8

3.2.1 沉积温度对于Ag原子在SiO2表面沉积的影响 8

3.2.2 沉积温度对于Ag、Al原子在SiO2表面沉积的影响 10

3.3 衬底温度的影响 11

3.3.1 衬底温度对于Ag原子在SiO2表面沉积的影响 11

3.3.2衬底温度对于Ag、Al原子在SiO2表面沉积的影响 13

3.4 本章小结 14

第四章 沉积速率对于薄膜沉积的影响 15

4.1.引言 15

4.2.调控沉积速率对薄膜沉积结果的影响 15

4.3本章小结 16

第五章 总结与展望 17

5.1 论文主要工作总结 17

5.2展望 18

参考文献 18

致谢 20

绪论

1.1论文研究背景

近年来，人们关于纳米材料的研究在不断地进步之中，而薄膜材料领域成为了目前纳米材料研究的热点。其中，Ag是一种具有明亮白色金属光泽，可以进行高度抛光，具有极高的导电性和导热性，延展性良好，化学性质稳定等优良性能，是一种极其重要的材料^[1]。而Ag薄膜本身是由Ag纳米颗粒组成的，薄膜技术有很广泛的应用。长久以来的研究已经将Ag薄膜用于计算机存储设备，医药品，制造薄膜电池，染料敏化太阳能电池等应用之中。一个很常见的例子就是在镜子的背面镀上一层银形成反射表面^[2-5]。

目前随着技术的发展出现了很多薄膜制备的方法，一般来说都是讲金属薄层沉积到衬底之上，称之为表面沉积技术。表面沉积技术有真空沉积（物理沉积）、化学沉积等，常见的磁控溅射、电子束蒸发等方法属于物理沉积方法。在薄膜制备过程中，沉积膜的表面光滑度和衬底的扩散结合程度直接决定薄膜的结合性能。虽然实验的方法能够提供薄膜生长的重要信息，但是实验过程中仍然难以观察纳米尺度的沉积过程，原子尺度模拟生长及其对各种沉积条件的依赖关系，将有助于对Ag原子在衬底上生长过程的有效理解。原子组装机制、结晶度和缺陷可以直接通过分子动力学(MD)模拟而不是实验来显示。

那么为了分析银及银铝多层薄膜的沉积过程，本文采用分子动力学软件大规模原子并行模拟器（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator，LAMMPS）进行银及银铝原子在SiO₂衬底上的沉积过程。然后通过在沉积过程中调节沉积的温度和速度等来研究膜的结构，从而可以深入分析其受控制备的调节方法。通过这种方式，希望能够寻找出沉积银薄膜过程中的各种影响因素，并且得出一个比较可靠的规律，并建立相应的理论原理来研究材料的可控制备。本文的主要研究方面有两个：一个是对于Ag原子沉积过程中衬底温度及沉积温度对于沉积薄膜形貌的影响；另一个是Ag沉积在SiO₂表面的沉积速率影响因素。以此方式，将有可能为Ag薄膜的可控制备奠定基础，从而有效制备高质量的纳米膜材料。

1.2 课题的研究现状

1.2.1 金属薄膜沉积研究现状

目前，国外在金属薄膜沉积工艺方面的研究较多，Wiley等^[6]发现，在大部分的情况下，随着纳米粒子的形貌的调整，就可以使纳米粒子有不同的特点。Re等^[7]通过直流溅射法，制备了不同厚度的Ag膜，深入分析了Ag薄膜在衬底表面的生长过程，探究了该制备方法下的结构影响。还有如Sosa等^[8]根据Ag纳米粒子的形貌，计算分析了表面结构对于提升拉曼反射的有效光谱范围，以及等离子体共振峰在其表面上的数量和位置，发现随着长度/直径比的增加，等离子体在Ag处的径向共振波长发生相当大的偏移^[9,10]。Pillai等^[11]在太阳能电池的表面上沉积10纳米厚的Ag膜，加热后形成大约100纳米的Ag原子团簇，从而显着增加吸收光的能力提高了转换效率。Simrick等人^[12]通过热蒸发法将不同厚度的Ag薄膜沉积在氧化锆基底上，讨论了它们的结构形态以及电阻与恒应力之间的关系。