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一些重要表面过程的动力学Monte Carlo模拟研究

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第一章导论

1.1低维纳米结构生长的基本规律

1.2研究低维纳米结构生长的基本理论方法

1.3动力学Monte Carlo方法

1.4本论文研究的目的和主要内容

参考文献：

第二章一维量子线生长过程的研究

2.1一维Fe量子线在台阶Cu(111)表面的生长过程研究

2.2一维Ti量子线在刻有规则条纹图案的单氢化金刚石(001)表面的生长过程研究

2.3超长一维2，6-萘二甲酸有机超分子量子线在台阶Ag(110)表面自主装生长过程的研究

参考文献:

第三章金属表面物理、化学发应过程的研究

3.1 Au在Ni(110)表面的合金化过程研究

3.2台阶Ni(111)表面乙烯分解的断键选择机制研究

参考文献：

第四章二维薄膜材料生长过程的研究

4.1氢化非晶硅薄膜(α-Si：H)生长过程的表面平滑机制研究

4.2金属有机物气相外延(MOVPE)生长过程中非平板台阶表面的台阶调整机制研究

参考文献：

第五章总结与展望

5.1工作总结

5.2下一步的工作展望

附录

致谢

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摘要

本论文用计算机模拟研究了低维纳米材料和纳米结构生长过程中的一些重要表面过程。采用动力学Monte Carlo模拟方法，我们对一维量子线和二维薄膜的生长过程以及金属表面的一些重要的物理及化学反应过程进行了系统地研究。本研究所得的结果不但增进了人们从原子尺度上对低维纳米材料和纳米结构的生长过程以及金属表面的一些重要的物理及化学反应过程的理解，而且预言了许多在实验上还没有被人们发现的物理现象。我们相信，这些研究成果对于低维纳米材料和纳米结构的生长及其制造工艺的控制都十分重要，这方面的基础研究成果将促进新一代微电子和光电子工业技术的发展。 本论文主要有如下三点创新： ■系统研究了三种重要一维量子线(两种金属量子线和一种有机分子量子线)的表面生长过程，揭示了这类量子线生长的细致的物理过程；预言了这三种一维量子线的最佳生长条件，例如：最佳生长温度、最佳沉积速率等；同时预言了一些在实验上还没有被人们发现的新物理现象，帮助人们进一步理解一维量子线的表面生长过程。我们采用动力学Monte Carlo模拟方法对一维Fe金属量子线在台阶Cu(111)表面、一维Ti金属量子线在刻有规则条纹图案的单氢化金刚石(001)表面以及超长一维2,6-萘二甲酸有机超分子量子线在台阶Ag(110)表面自主装生长过程进行了系统地研究，成功地解释了实验现象。通过模拟不同生长条件下一维量子线的生长过程，我们预言了这三种一维量子线在表面生长的最佳条件，例如：最佳生长温度、最佳沉积速率等。同时，我们预言了一些在实验上没有被人们发现的新物理现象，这对人们进一步认识一维量子线的表面生长过程及其物理机制具有重要意义。 ■系统研究了一些金属表面重要的物理、化学发应过程，阐明了这类反应的物理和化学机制；预言了生长温度对Au-Ni表面合金化过程的影响以及不同生长温度下的表面合金化机制；系统研究了乙烯分子在台阶Ni(111)表面的分解过程，同时预言了表面台阶对乙烯分子在台阶Ni(111)表面分解的断键选择机制的影响。 我们采用动力学Monte Carlo模拟方法对Au-Ni表面合金化过程以及乙烯气体在台阶Ni(111)表面的分解过程进行了系统地研究，阐明了这类反应的物理和化学机制。同时，我们还预言在低温区域，沉积在Ni(110)表面的Au原子不能和表面Ni原子发生置换反应形成合金。随着温度的升高，Au原子开始与表面Ni原子发生置换反应形成合金，此过程采用双原子置换机制。在高温区域，Au-Ni表面合金化过程由双原子机制转变成单原子置换机制。另外，我们还发现表面台阶位置对于乙烯气体在台阶Ni(111)表面分解的断键选择机制有很大影响。通过Ag原子覆盖金属Ni表面的台阶位置，我们就可以阻碍乙烯分子通过C-C键断裂的方式分解，从而使得乙烯分子趋向通过C-H键断裂的方式分解。 ■系统研究了两种重要二维薄膜材料的生长过程，给出了实验现象背后所存在的物理机理；预言了不同生长温度下氢化非晶硅薄膜(α-Si：H)生长的表面平滑机制；系统研究了金属有机物气相外延(MOVPE)生长过程中扩散原子沿台阶边缘的扩散速率、台阶长度以及由V形沟道侧面流向V形沟道之间山脊区域的侧向原子流大小对非平板台阶表面台阶调整机制的影响。我们采用动力学Monte Carlo模拟方法对氢化非晶硅薄膜的生长过程以及金属有机物气相外延生长过程中非平板台阶表面的台阶调整机制进行了系统研究，给出了实验现象背后所存在的物理机理。我们发现氢化非晶硅薄膜的表面形貌随生长温度的升高将会发生了粗糙一光滑一粗糙的转变，而且转变温度随沉积速率的增加而升高。同时，我们预言了不同生长温度下氢化非晶硅薄膜的表面平滑机制：在低温区域，甲硅烷基原子团的扩散过程控制了薄膜的粗糙程度；在高温区域，甲硅烷基原子团的结合过程控制了薄膜的粗糙程度。另外，我们还预言非平板台阶表面的凹陷区域的长度和宽度随扩散原子沿台阶边缘扩散速率的增大而显著减小，最终导致非平板台阶表面由明显波浪状凹陷转变成直的等距台阶表面；非平板台阶表面凹陷区域的长度随台阶长度或由V形沟道侧面流向V形沟道之间山脊区域的侧向原子流大小的增大显著增大，而凹陷区域宽度的变化却很小。

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