一种复合材料薄膜三维多相同步生长的模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术提供的方法基于蒙特卡洛方法模拟粒子形成薄膜的随机过程。根据所选多相材料的特点设定参与随机事件的粒子数量和相关的能量参数，并对薄膜基底的材料和形貌进行选择和定义，获得三维薄膜生长模拟的过程信息。通过改变沉积相的参数，沉积条件（如，温度，基底表面形貌）等模拟条件，可以帮助技术人员发掘复合多相薄膜结构形态形成的机理。

Method and system for simulating three-dimensional multi-phase synchronous growth of composite film

The method of the present invention is based on the Monte Carlo method to simulate the stochastic process of particle formation. According to the characteristics of the selected set of multiphase materials in the number of random events and related parameters of particle energy and materials, and the appearance of the film substrate selection and definition, process information to obtain three-dimensional simulation of thin film growth. By changing the parameters of the sedimentary facies, the deposition conditions (such as the temperature, the surface morphology of the substrate) and other simulation conditions can help the technicians to explore the mechanism of the formation of the structure and morphology of the composite films.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复合薄膜制备领域，更具体地，涉及一种复合材料薄膜三维多相同步生长的模拟方法及系统。
技术介绍
采用计算机模拟方法研究薄膜生长机制，可以从不同的粒子尺度模拟膜结构的形成和行为，考察膜结构演化的动态过程。对于不同的材料，不同的成膜条件有不同的实验室制备工艺参数。通过改变模拟参数，分析考察环境因素对成膜结构的影响，可以解释实验观察的各种现象，从而为优化薄膜制备条件提供理论依据。蒙特卡洛(MonteCarlo，简称MC)方法是一种随机模型模拟方法，它利用随机数对模拟体系按照适用的物理机制进行模拟、产生数值形式的概率分布，模拟结果能体现物理体系具有统计意义的特征。复合材料薄膜通常由两种以及两种以上的材料构成。复合材料薄膜涵盖范围广泛，有微观结构相对简单的层状复合材料薄膜，也有微观结构复杂的薄膜，如一种材料分散在另一种材料构成的基体中的结构。复合材料薄膜的应用范围也非常广泛，例如微纳米元器件的制备、半导体薄膜材料、磁存储介质等。当复合薄膜的微观结构具有一定复杂度的时候，尤其是当薄膜中的多种材料形成互相穿插的一类微观结构的时候，薄膜的制备通常具有一定的难度和挑战性。以溅射为代表的薄膜沉积和制备方法，工艺相对简单、沉积速率快、重现性高、薄膜质量稳定、生产率高，在微电子元器件、磁存储、磁性随机存储器件领域有非常广泛的应用。在制备复合薄膜方面，共溅射工艺具有其独特的优势，不仅可以同时沉积复合材料薄膜中的组份材料，在薄膜成份等工艺参数上具有极大的可调性。近期，为了制备具有特殊周期性微观结构的复合材料薄膜，如磁记录介质薄膜，常常采用具有图案化形貌的基底(patternedsubstrate)作为薄膜外延生长的基底。这类模版是为获得具有某种特定微观结构的复合材料薄膜而专门预制的模版。在复合材料薄膜的溅射沉积过程中，模版会引导薄膜中的各组份材料的多相同步生长，以获得期望的薄膜微观结构。这种运用模版的工艺可以和纳米压印等其他工艺连用，具有非常大的应用前景和空间。然而，确定整套工艺的工艺参数，从模版的设计、制备到薄膜的沉积，是一个非常耗时耗力的过程。对复合材料薄膜的生长模拟是计算机模拟薄膜研究的必然趋势，尤其是纳米多相复合材料薄膜的实验室制备，生长模式化的纳米结构薄膜，目前已有多种试验方法能够在特定的实验条件下自组装形成纳米结构的周期性结构薄膜，但其中的生长机制涉及复杂的实验条件因素以及参与薄膜沉积反应过程中各相结构形态以及能量变化的动力学和热力学因素。模拟多相纳米结构薄膜的生长具有重要的实验指导意义。
技术实现思路
本专利技术为解决以上现有技术的难题，提供了一种复合材料薄膜三维多相同步生长的模拟方法，该方法能够实现对复合材料薄膜的生长模拟。为实现以上专利技术目的，采用的技术方案是：一种复合材料薄膜三维多相同步生长的模拟方法，包括以下步骤：S1.设定薄膜生长的基底的三维结构形态信息，包括：基底形貌和基底材料；S2.设定模拟体系内各种材料的本征参数，包括基底和薄膜材料的：晶体学特征(结晶或非晶)、元素的键能、元素的扩散率、元素间结合能、各材料相间的界面能等动力学和热力学相关参数。对于结晶材料，设定其晶粒的晶体学取向范围，并赋予不同晶粒以不同的身份参数，对于非结晶材料，其晶粒的身份参数可以统一设定为一个固定值；各材料相的微观结构可设定为单晶、具有织构的多晶、无序多晶、无定形态的各种材料；S3.定义模拟体系的模拟参数，包括：整个模拟空间的总的体积大小、每个三维体积元(voxel)的大小、沉积速率、沉积比例和最终薄膜厚度等。其中基底温度以物理温度对不同随机事件发生概率的影响的形式体现；沉积速率体现为每层薄膜生长所需步数(MonteCarlosteps,MCSs)；多相生长中沉积比例设定为不同相所占体积比；S4.按S1所定义的基底材料和形貌，在系统内导入或生成所需基底。如需生成基底，按照S1定义的材料，在基底所包含空间内，随机赋予每个体积元一种身份参数代表基底材料，启动蒙特卡洛步骤，使基底结构从初始随机生成的无序态达到稳态。S5.定义薄膜生长前沿的扫描面。如果基底为平整的，则扫描面亦为平面；如果基底为非平整的、规则或者不规则的曲面，则需要联合其它计算方法获得薄膜生长前沿的形貌在薄膜沉积过程中每个时间片段的数学描述。设定扫描面每前进一步所需要激活的体积元的层数。S6.按S5的设定激活欲扫描的薄膜中的体积元层，并随机赋予该层中每个体积元一种身份参数，启动蒙特卡洛步骤，执行设定数量的MonteCarlosteps，使该薄膜层结构从初始随机生成的无序态达到稳态。S7.重复步骤S5～S6直至扫描完所设定的薄膜厚度所包括的体积元；至此，多相复合薄膜生长的模拟完成。其中，步骤S6中，使结构达到稳态的蒙特卡洛步骤包括以下具体步骤：SM01.选取需要达到稳态的结构中一个未被选取过的体积元，计算其随机扩散至周围近邻体积元的概率Pdiff，并计算该体积元重取向为周围近邻体积元取向的概率(若为晶体材料)Preori；然后生成一个随机概率Prand∈(0,1)；若max{Pdiff,Preori本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料薄膜三维多相同步生长的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.设定薄膜生长的基底的三维结构形态信息，包括基底形貌和基底材料；S2.设定模拟体系内各种材料的本征参数，包括基底和薄膜材料的；S3.定义模拟体系的模拟参数；S4.按S1所定义的基底材料和形貌，在系统内导入或生成所需基底；S5.定义薄膜生长前沿的扫描面；S6.按S5的设定激活欲扫描的薄膜中的体积元层，并随机赋予该层中每个体积元一种身份参数，启动蒙特卡洛步骤，执行设定数量的Monte Carlo steps，使该薄膜层结构从初始随机生成的无序态达到稳态；S7.重复步骤S5～S6直至扫描完所设定的薄膜厚度所包括的体积元。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料薄膜三维多相同步生长的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.设定薄膜生长的基底的三维结构形态信息，包括基底形貌和基底材料；S2.设定模拟体系内各种材料的本征参数，包括基底和薄膜材料的；S3.定义模拟体系的模拟参数；S4.按S1所定义的基底材料和形貌，在系统内导入或生成所需基底；S5.定义薄膜生长前沿的扫描面；S6.按S5的设定激活欲扫描的薄膜中的体积元层，并随机赋予该层中每个体积元一种身份参数，启动蒙特卡洛步骤，执行设定数量的MonteCarlosteps，使该薄膜层结...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢箫，朱京希，李嘉，赖博雅，
申请(专利权)人：广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院，中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44