一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟方法及系统，包括构建不同倾斜角度的初始晶胞模型，基于初始晶胞模型建立对称双晶模型；基于建立的对称双晶模型，选取势函数，设置进行分子动力学模拟的原子类型和边界条件，并进行能量最小化，得到优化后的双晶模型的初始构型；基于双晶模型的初始构型，选取模型预采用的轧制系综和轧制模拟中所需的条件，然后在模型中对材料施加压缩应变量，模拟轧制过程，接着对轧制完成后的模型，进行加热、保温及冷却处理，模拟高温退火过程。能够从缺陷演化和晶界结构相互作用角度解释材料变形机制，有利于获取精确的材料内部缺陷的演化过程，基于结果有针对性的对材料进行改善。善。善。

【技术实现步骤摘要】
一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟方法及系统


[0001]本专利技术属于纯钽材料领域，涉及一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟方法及系统。

技术介绍

[0002]钽是一种典型的过渡族难熔金属，具有较高的熔点、密度、抗腐蚀性、优异的延展能力以及独特的物理化学性质，而被广泛应用于集成电路领域。其中，在先进芯片集成技术中，特征尺寸的线宽更窄、层数更多成为主流趋势。但线宽的降低与层数的增加会导致连接线的电阻增加，甚至造成金属连接线的应力迁移以及电子迁移，对电路的可靠性产生严重影响。因此，传统以Al为金属互联层、Ti为阻挡层的Al/Ti体系已不能满足新一代集成电路制造要求，而熔点更高、电阻率更低的Cu/Ta体系得到了广泛使用。
[0003]高纯钽可以作为集成电路中铜金属与硅基板的理想阻挡层材料，以防止铜Cu原子向存储单元Si扩散形成化合物以影响集成电路性能。作为制备钽阻挡层薄膜的原材料，具有晶粒细小、织构分布均匀的高品质钽靶材引起特别关注。
[0004]目前，钽靶材微观组织的有效控制仍是其工业生产中的一项重要课题。具有体心立方结构的钽，大变形量下会形成{111}和{001}织构，且{111}取向的畸变能要高于{001}取向。畸变能的差异会造成再结晶形核位置及再结晶晶粒长大方式出现差异，致使再结晶组织不均匀。因此，分析再结晶形核位置及形核长大方式是控制再结晶组织均匀性的重要技术手段，但由于时间和空间尺度极短，在实验中很难观察到，因此对其进行分子动力学方法模拟，以实现再结晶过程的原位模拟。
专利
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟方法及系统，明晰塑性变形过程中所产生的亚结构在后续热处理中的演变行为。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0008]一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟方法，包括以下步骤：
[0009]S1：构建不同倾斜角度的初始晶胞模型，基于初始晶胞模型建立对称双晶模型；
[0010]S2：基于建立的对称双晶模型，选取势函数，设置进行分子动力学模拟的原子类型和边界条件，并进行能量最小化，得到优化后的双晶模型的初始构型；
[0011]S3：基于双晶模型的初始构型，选取模型预采用的轧制系综和轧制模拟中所需的条件，然后在模型中对材料施加压缩应变量，模拟轧制过程；
[0012]S4：对轧制完成后的模型，加热至目标温度后进行保温，待保温结束后再进行冷却，模拟高温退火过程，获取模拟结果。
[0013]本专利技术的进一步改进在于：
[0014]所述步骤S1包括以下步骤：
[0015]从电子背散射衍射、透射电子显微镜中导出晶粒间的取向关系；
[0016]建立四个不同角度的晶胞模型，基于晶胞模型建立两个晶粒模型：
[0017]在两个缩小的坐标处插入两个节点，在节点的位置插入晶粒，使两个晶粒围绕同一晶体轴按照相反的角度旋转，得到具有对称倾斜晶界的双晶模型。
[0018]所述两个缩小的坐标分别为(0.5，0.25，0)和(0.5，0.75，0)；
[0019]所述步骤S1中，所述晶粒围绕同一晶体轴按照相反的角度旋转的具体过程为：
[0020]将一个晶粒围绕晶体轴110旋转+α/2角度，另一个晶粒旋转
‑
α/2角度，使两个颗粒之间定向偏移α角度，得到具有对称倾斜晶界的双晶模型。
[0021]所述步骤S2包括以下步骤：
[0022]所述势函数包括钽的EAM势和LJ势函数；
[0023]所述分子动力学模拟的原子类型为atomic；
[0024]所述模拟的边界条件为在x，y，z方向均采用周期性边界条件，并通过共轭梯度法将模型能量最小化。
[0025]所述步骤S3中，所述双晶模型采用的系综为NVE系综。
[0026]所述轧制模拟中所需的条件包括轧制过程所需的温度和弛豫时间；
[0027]所述轧制过程所需的温度为0℃
‑
300℃，所述弛豫时间为500ps，在模型弛豫为平衡时刻后，以每步施加0.005％的压缩应变量，模拟轧制的过程，得到模拟结果。
[0028]所述步骤S4包括以下步骤：
[0029]所述高温退火过程所需的温度为500℃
‑
1000℃，所述保温时间为1000ps；
[0030]当进行冷却时，冷却速度为1k/s，冷却的目标温度为25℃。
[0031]一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟系统，包括对称双晶模型构建模块、双晶模型优化模块、轧制模拟模块和热处理模拟模块；
[0032]对称双晶模型构建模块，用于构建不同倾斜角度的初始晶胞模型，基于初始晶胞模型建立对称双晶模型；
[0033]双晶模型优化模块，用于基于建立的对称双晶模型，选取势函数，设置进行分子动力学模拟的原子类型和边界条件，并进行能量最小化，得到优化后的双晶模型的初始构型；
[0034]轧制模拟模块，用于基于双晶模型的初始构型，选取模型预采用的轧制系综和轧制模拟中所需的条件，然后在模型中对材料施加压缩应变量，模拟轧制过程；
[0035]热处理高温退火模拟模块，用于对轧制完成后的模型，加热至目标温度后进行保温，待保温结束后再进行冷却，模拟高温退火过程，获取模拟结果。
[0036]一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本专利技术任一项所述方法的步骤。
[0037]一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本专利技术任一项所述方法的步骤。
[0038]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0039]本专利技术公开了一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟方法，首先本专利技术从不同的角度建立初始晶胞模型，并形成后期的对称双晶模型，能够将不同角度的晶界结
构代入到纳米多晶纯钽中，从缺陷演化和晶界结构相互作用角度解释材料变形机制，在后期中引入轧制及后续热处理所需的条件，研究不同晶界结构在轧制过程中的实时变化过程及其再结晶过程，通过最后获取的模拟结果能够获得每个状态的应力应变值、微观结构演化、位错结构等，有利于获取精确的材料内部缺陷的演化过程，能够基于结果有针对性的对材料进行改善，缩短了试验的时间和成本，提高了材料在后期实际应用中的性能。
[0040]进一步的，本专利技术中，建立四个不同角度的晶胞模型，通过分子动力学模拟研究纯钽不同角度双晶模型的轧制过程中位错运动、原子迁移及所受应力，确定不同倾斜角度的晶界对力学性能的影响规律，明晰塑性变形过程中所产生的亚结构在后续热处理中的演变行为。
附图说明
[0041]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：构建不同倾斜角度的初始晶胞模型，基于初始晶胞模型建立对称双晶模型；S2：基于建立的对称双晶模型，选取势函数，设置进行分子动力学模拟的原子类型和边界条件，并进行能量最小化，得到优化后的双晶模型的初始构型；S3：基于双晶模型的初始构型，选取模型预采用的轧制系综和轧制模拟中所需的条件，然后在模型中对材料施加压缩应变量，模拟轧制过程；S4：对轧制完成后的模型，加热至目标温度后进行保温，待保温结束后再进行冷却，模拟高温退火过程，获取模拟结果。2.根据权利要求1所述的一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：从电子背散射衍射、透射电子显微镜中导出晶粒间的取向关系；建立四个不同角度的晶胞模型，基于晶胞模型建立两个晶粒模型：在两个缩小的坐标处插入两个节点，在节点的位置插入晶粒，使两个晶粒围绕同一晶体轴按照相反的角度旋转，得到具有对称倾斜晶界的双晶模型。3.根据权利要求2所述的一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述两个缩小的坐标分别为(0.5，0.25，0)和(0.5，0.75，0)；所述步骤S1中，所述晶粒围绕同一晶体轴按照相反的角度旋转的具体过程为：将一个晶粒围绕晶体轴110旋转+α/2角度，另一个晶粒旋转
‑
α/2角度，使两个颗粒之间定向偏移α角度，得到具有对称倾斜晶界的双晶模型。4.根据权利要求1所述的一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：所述势函数包括钽的EAM势和LJ势函数；所述分子动力学模拟的原子类型为atomic；所述模拟的边界条件为在x，y，z方向均采用周期性边界条件，并通过共轭梯度法将模型能量最小化。5.根据权利要求1所述的一种纯钽材料轧制热处理过程的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述双晶模型采用的系综为NVE系综...

【专利技术属性】
技术研发人员：王爱娟，李兆博，齐萌，苗露阳，王战宏，方方，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：