Ar离子辅助沉积对含氢类金刚石薄膜结构影响的计算机模拟.pdf

[文章编号】1001—246X{2009)05．0751—07 Ar离子辅助沉积对含氢类金刚石薄膜结构影响 的计算机模拟 李运超， 开 花， 李 双， 郭德成， 李之杰 (内蒙古民族大学物理与电子信息学院，内蒙古通辽028043) [摘要]选C2分子和一定量的H原子作为沉积源，Ar离子作为辅助沉积粒子，采用分子动力学(MD)方法 (Ar／C)，研究辅助沉积对DLC膜结构的影响；重点讨论Ar辅助沉积引起表面原子的瞬间活性变化对薄膜结构产 生的影响．结果表明，由于Ar离子轰击引起的能量和动量的传递，增加了合成薄膜的sP3键含量，增大了合成 薄膜的密度，加宽了沉积粒子和衬底的结合宽度，研究结果和实验观察一致，并从合成机理上给出一些定量解 释． [关键词】 含氢类金刚石膜；离子柬辅助沉积；分子动力学模拟 [中图分类号】 0411．3 [文献标识码】 A O 引言 由于类金刚石碳膜(DLC)具有硬度高、摩擦系数低、良好的热传导率、优异的电绝缘性能、化学惰性和红 外透光性能好…等一系列优良的性能而使其在光学薄膜、硬盘保护膜、航天和微电子学等领域有着巨大的应 用前景幢’31．因此自问世以来就受到了国内外的广泛关注．现在计算机硬盘的存储密度要求磁盘和磁头表面 固体保护膜的厚度降低2～3 nm，并要同时保证其优良的力学性能和足够的抗腐蚀能力，优质、均匀、连续、 致密的超薄固体膜的生长机理和技术已经成为计算机制造业面临的一个极具挑战性的问题HJ． 目前，DLC膜可以用多种方法获得，如溅射、离子束沉积、等离子体辅助化学气相沉积等．离子束辅助沉 积(ion．beam．assisted 好的物理和化学性质，因而受到关注．实验研究表明，应用IBAD方法，合成的DLC膜具有很好的四面体结 构，显示出低摩擦性和高硬度，并与衬底结合很好[5石】．并且用载能离子轰击能够改变薄膜的成分和结构，得 到的薄膜在附着性、稳定性、光洁度上均有改善． 用Monte 定性符合．Fedotov等人采用Tersoff作用势的分子动力学(Molecular 碳膜的动力学过程¨0。，定量计算了离子与原子的比率对薄膜结构的影响．其不足之处是假设离子直接注入 薄膜，没有考虑离子的散射．马天宝等利用分子动力学模拟方法模拟研究了2～3nm厚的类金刚石(DLC)薄 膜在金刚石基体(100)表面上的生长过程，分析了用来表征沉积后无定型碳膜质量的重要结构特性¨¨，并在 文[12]中利用MD模拟方法研究了DLC薄膜生长的动态过程，提出了原子表面运动模型，有助于揭示薄膜的 生长机理． 我们知道，20世纪80年代，对含氢DLC的研究就已经开始了，膜中氢含量从百分之几到百分之几十不 等．伴随离子轰击出现的瞬时高温和C原子的迁移对DLC膜结构的形成起重要作用，目前尚缺少对此基本 积对无氢类金刚石膜结构影响的计算机模拟研究u引，在此基础上，本文用MD模拟方法以C2分子和一定量 [收穑日期]．2008—03—18；[修回日期】2009一Ol一27 [基金项目】内蒙古自治区教育厅科研基金(批准号：NJ04062)及内蒙古民族大学博士启动基金资助项目 【作者简介】李运超(1980一)，男。山东济宁，硕士生，主要从事计算物理研究． 万方数据万方数据 752 计 算 物 理 第26卷 H原子作沉积源，研究具有一定能量的辅助沉积离子(Ar)对含氢碳膜结构的影响，重点讨论辅助离子不同的 到达比对薄膜结构的影响． 1 计算模型 1．1 MD模拟和原子间相互作用势 近年来，分子动力学模拟¨引作为一种新的研究手段逐渐受到人们的重视，它的优势在于可以从原子层 次上来解释和预测物理现象，是实验方法的重要补充． 本文的MD计算模型与文[13，14]类似，以原子为基本粒子组成Ⅳ个粒子的体系，由入射粒子和衬底原 子构成，分子动力学方法的核心是通过数值求解系统的运动方程，得到体系的相空间轨道rⅣ(t)，PⅣ(t)．体 系的哈密顿量