分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法及系统技术方案

本发明专利技术属于氧化铝薄膜技术领域，特别涉及一种分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法及系统，该方法包括基于分子动力学模拟软件建立Al和O2反应的初始模型；对初始模型进行动力学保温弛豫，得到Al和O2充分反应的氧化铝模型；对得到的氧化铝模型进行动力学降温，得到氧化铝模型所对应的dump文件；对得到的dump文件数据进行读取，去除未成键的原子，获得新的dump文件；对新的dump文件中的数据进行Voronoi分析，导出不同工艺参数下的原子坐标、原子类型、原子Id、配位数、原子体积和Voronoi指数至文件；整理文件数据并绘制统计曲线，评价工艺参数对氧化铝薄膜空间结构特征的影响。本发明专利技术填补了从Voronoi多面体角度分析氧化铝空间结构的空白，降低了实验成本。降低了实验成本。降低了实验成本。

【技术实现步骤摘要】
分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法及系统


[0001]本专利技术属于氧化铝薄膜
，特别涉及一种分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法及系统。

技术介绍

[0002]当前，随着经典硅基计算机的计算能力和制造技术逐渐趋于极限，具有潜在巨大计算能力的量子计算机正在日渐受到关注。基于超导电路的量子计算机由于具有高保真度、量子比特数目多、芯片加工技术成熟、系统集成度高、可扩展性好等优势，已经成为量子计算机中发展迅速的一种实现方式。而构建基于超导电路的量子计算机的关键组件之一是约瑟夫森结(Josephson junction，JJ)，它本质上是由两个超导体和一个薄绝缘势垒层组成的非线性电感，常用的材料是Al/AlO
x
/Al。
[0003]其中，约瑟夫森结的绝缘势垒层AlO
x
的性能一般被认为是在量子比特中能量耗散和退相干的主要来源。实验上一般是利用Al与O2反应后形成AlO
x
，且不同工艺参数下(如氧化温度、Al晶向、O2密度等)所形成的AlO
x
结构和性能都不一样。
[0004]如今无论是实验仪器测试，还是实验制备约瑟夫森结，都表现出高成本、难控制、低通量的劣势。实验方面可以通过试错法来找出AlO
x
最优性能对应的工艺参数，但这是需要耗费大量的时间成本和材料成本的，而且各种各样的实验环境条件也会降低实验结论的准确性。此外，Al与O2反应的微观机制也没有得到很好的解释。通过分子动力学方法，可以从分子(原子)层面观察和分析问题，有利于捕捉Al氧化的微观机制，得出不同工艺参数与AlO
x
性能的关系，而且可以穷尽所有的工艺参数，近几十年来逐渐成为一种重要的研究方法。对于Al在不同工艺参数下的氧化微观过程研究是一种必要的方法。
[0005]另外，目前对于AlO
x
空间结构特征的分析还比较少，且利用Voronoi分析方法表征的大多是非晶纯金属或金属合金，对于非晶氧化物的表征还很少。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法及系统，填补了从Voronoi多面体角度分析氧化铝空间结构的空白，降低了实验成本。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法，包含以下步骤：
[0009]步骤1，基于分子动力学模拟软件建立Al和O2反应的初始模型；
[0010]步骤2，对步骤1中所建立的模型进行初始化；
[0011]步骤3，对步骤2初始化后的模型进行动力学保温弛豫，得到Al和O2充分反应的氧化铝模型；
[0012]步骤4，对步骤3得到的氧化铝模型进行动力学降温，得到热噪声干扰最小的氧化
铝模型所对应的dump文件；
[0013]步骤5，通过开源可视化软件对步骤4得到的dump文件数据进行读取，去除未成键的原子，获得新的dump文件；
[0014]步骤6，通过开源可视化软件中的分析模块，对步骤5新的dump文件中的数据进行Voronoi分析，导出不同工艺参数下的原子坐标、原子类型、原子Id、配位数、原子体积和Voronoi指数至文件；
[0015]步骤7，整理文件数据并绘制统计曲线，得到配位数、原子体积、Voronoi指数与氧化温度、O2密度、Al基底晶向变化之间的关系图，评价工艺参数对氧化铝薄膜空间结构特征的影响。
[0016]进一步地，所述分子动力学模拟软件采用LAMMPS软件。
[0017]进一步地，所述步骤1具体包括：
[0018]采用X、Y方向周期性边界条件和Z方向固定边界条件，建立Al模型；首先赋予Al原子质量和初始温度，采用ReaxFF势函数描述Al与Al之间的相互作用，设置Al模型处于目标反应温度，选择系综为NPT；然后在Al原子的上方创建空白区域，随机放置O2分子，使最下层O和最上层Al之间间距设置为
[0019]进一步地，所述步骤2的初始化过程如下：
[0020]赋予O原子质量和初始温度，采用ReaxFF势函数描述Al与O、O与O之间的相互作用。
[0021]进一步地，所述步骤1和步骤2采用ReaxFF势函数描述Al与Al、Al与O、O与O之间的相互作用，具体表达式为：
[0022]E
system
＝E
bond
+E
over
+E
under
+E
lp
+E
val
+E
tors
+E
vdWaals
+E
Coulomb
[0023]其中，E
bond
，E
val
，E
tors
是依赖于键级的价键相互作用，E
vdWaals
是分子间作用势，E
Coulomb
是静电相互作用，其余的为修正项。
[0024]进一步地，所述步骤3具体包括：
[0025]将Al基底底部的3层原子的自由度、速度和受力均设置为0，同时使Al和O2反应的整个系统保持在步骤1设置的目标反应温度；在保温状态下，每隔固定时间步设定一个状态点，利用in文件中的thermo命令实时输出每一个状态点下系统的温度、压强、体积、内能、动能、总能量和时间进度，信息自动记录在log文件；利用in文件中的dump命令，输出每一个状态点下系统中所有原子的坐标和速度，分别保存至dump文件中。
[0026]进一步地，所述步骤4具体包括：
[0027]设置降温初始温度为步骤1设置的目标反应温度，终止温度为小于等于298K，降温速率由降温过程总时间步决定；同时，每隔固定时间步设定一个状态点，利用in文件中的thermo命令实时输出每一个状态点下系统的温度、压强、体积、内能、动能、总能量和时间进度，信息自动记录在log文件；利用in文件中的dump命令，输出每一个状态点下系统中所有原子的坐标和速度，分别保存至dump文件中。
[0028]进一步地，所述步骤5和步骤6的开源可视化软件为OVITO软件。
[0029]进一步地，所述步骤5中，利用OVITO软件中的Coordination analysis功能和Create bonds功能导出含原子坐标、化学键的LAMMPS data文件，根据LAMMPS data文件中的键信息，对步骤4保存的dump文件进行程序代码调整，使未成键的原子得到标注，保存至新的dump文件；再利用OVITO软件中Expression selction和Delete selected功能对标注
为0的原子进行删除。
[0030]本专利技术还提供了一种分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的系统，包括：
[0031]初始模型构建模块，用于基于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，基于分子动力学模拟软件建立Al和O2反应的初始模型；步骤2，对步骤1中所建立的模型进行初始化；步骤3，对步骤2初始化后的模型进行动力学保温弛豫，得到Al和O2充分反应的氧化铝模型；步骤4，对步骤3得到的氧化铝模型进行动力学降温，得到热噪声干扰最小的氧化铝模型所对应的dump文件；步骤5，通过开源可视化软件对步骤4得到的dump文件数据进行读取，去除未成键的原子，获得新的dump文件；步骤6，通过开源可视化软件中的分析模块，对步骤5新的dump文件中的数据进行Voronoi分析，导出不同工艺参数下的原子坐标、原子类型、原子Id、配位数、原子体积和Voronoi指数至文件；步骤7，整理文件数据并绘制统计曲线，得到配位数、原子体积、Voronoi指数与氧化温度、O2密度、Al基底晶向变化之间的关系图，评价工艺参数对氧化铝薄膜空间结构特征的影响。2.根据权利要求1所述的分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法，其特征在于，所述分子动力学模拟软件采用LAMMPS软件。3.根据权利要求2所述的分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：采用X、Y方向周期性边界条件和Z方向固定边界条件，建立Al模型；首先赋予Al原子质量和初始温度，采用ReaxFF势函数描述Al与Al之间的相互作用，设置Al模型处于目标反应温度，选择系综为NPT；然后在Al原子的上方创建空白区域，随机放置O2分子，使最下层O和最上层Al之间间距设置为4.根据权利要求3所述的分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法，其特征在于，所述步骤2的初始化过程如下：赋予O原子质量和初始温度，采用ReaxFF势函数描述Al与O、O与O之间的相互作用。5.根据权利要求4所述的分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法，其特征在于，所述步骤1和步骤2采用ReaxFF势函数描述Al与Al、Al与O、O与O之间的相互作用，具体表达式为：E
system
＝E
bond
+E
over
+E
under
+E
lp
+E
val
+E
tors
+E
vdWaals
+E
Coulomb
其中，E
bond
，E
val
，E
tors
是依赖于键级的价键相互作用，E
vdWaals
是分子间作用势，E
Coulomb
是静电相互作用，其余的为修正项。6.根据权利要求3所述的分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：单征，孙回回，韩传兵，邱俊玲，刘福东，王立新，王淑亚，王卫龙，侯一凡，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：