通过分子动力学方法研究图案化Si衬底上的原子扩散

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许多微电子设备和器件,例如量子点激光器、自旋电子存储器和用于量子计算的逻辑门,都是基于空间有序的量子点阵列制成的。获得此类量子点阵列的有效方法是创建具有空间有序排列的凹坑形态的图形化(预图案化)衬底,然后在这种图案化衬底上进行异质外延生长。通常,纳米岛生长于凹坑的中心。但是,如果凹坑部分相交,那么在相交处也有可能成核,最终在每个凹坑中形成一个或多个纳米岛。从基本角度来看,在势能面上的异质外延生长是极有趣的,但是伴随图案化衬底上生长的原子扩散机制尚不清楚,无法通过实验直接观察完成对表面原子扩散和纳米岛生长基本过程的研究。从此方面来看,分子动力学方法往往是有参考价值的。在本论文工作中,使用分子动力学方法构建了边缘有相交凹坑形态的Si衬底的势能图,并对这些势能图进行了详细的分析。结果表明,凹坑相交的区域具有更多的扩散势垒最小值的特点。最小值和两个相邻最小值之间的鞍点的能量被确定,从而建立了可能的原子路径和确定了在图案化衬底上表面原子扩散的激活能。假设在Ge沉积过程中原子处于扩散势垒最小值的位置,它可能会随着积累增多逐渐形成纳米岛。通过实验数据分析得出,纳米岛在凹坑的相交处生长。为了确保模拟对象与真实对象相符,又单独考虑了平滑表面的情况。在异质外延过程中,凹坑相交处的Ge聚集加强,反过来又增加了在凹坑相交处三维纳米岛成核和生长的概率。
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