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2005届硕士研究生学位论文摘要 　　　　　　　　　　　　机械电子工程　　　　　　　　　　　　　 论文题目：物理气相沉积Ti-Si-N纳米复合薄膜生长过程的计算机仿真研究 The Simulation of Ti-Si-N Codeposition Nanocomposite Films Growth with PVD 研究生姓名：王新蒙 导师姓名：刘学杰 教授 专　　　业：机械电子工程 摘　要： 物理气相沉积（PVD）技术作为薄膜材料制备的主要方法之一，其在机械制造业中的应用主要集中在切削刀具表面的强化。Ti-Si-N纳米复合薄膜由于比单一TiN薄膜具有较好的综合机械性能，因此成为硬质薄膜材料研究的主要方向之一。本课题以Ti、Si、N三种粒子共沉积形成的纳米复合硬质薄膜为研究对象，初步尝试用计算机来模拟在单质Ti薄膜和Ti-Si-N三元薄膜生长过程中，入射粒子的吸附、扩散、凝聚成核、团簇长大等行为。通过对模拟结果的分析，来研究沉积过程参数的变化对薄膜微观组织及形貌的影响。 本文在总结蒙特卡罗（MC）和分子动力学（MD）这两种计算机模拟方法各自特点的基础上，采用将微观粒子动力学与Monte Carlo方法相结合的KMC（Kinetic Monte Carlo）方法来做为本课题研究的计算机模拟方法。该KMC模型引入了活粒子的概念，充分考虑了表面所有活粒子都有发生迁移运动的可能，同时也考虑到每次跃迁运动发生后所引起的周围近邻粒子运动状态的变化。通过给每个团簇赋以不同的颜色，得到了所需的团簇统计数据。本仿真软件的设计是在Visual Basic6.0的集成开发环境中进行，用户可方便地输入待考察的参数值，并实时观察表面粒子的运动状态。 模拟结果表明，在金属Ti膜生长过程中，当基底温度较低时，成核数目较多，但团簇尺寸较小；当基底温度较高时，形成大尺寸团簇的概率增加，团簇之间的空隙较小。模拟数据也显示薄膜表面粗糙度随温度升高而变得光滑。随粒子入射速率的增加，薄膜生长呈现三维岛状生长模式，薄膜表面粗糙度也随之增加。另外，统计结果也显示出，沉积粒子与基底粒子结合力较强。在金属Ti膜仿真结果的基础上，在此项研究中对Ti-Si-N三元薄膜的生长进行情况进行了初步的计算机模拟试验(包括换位机制和不换位机制、激活能参数调节、温度调节等)，这使我们对Ti-Si-N形成纳米复合相的机制有了一些了解，并且为进一步的研究奠定了一个很好的基础。 关键词：物理气相沉积，计算机模拟，薄膜生长，团簇，动力学蒙特卡罗方法 ABSTRACT One of important applications in machine manufacturing of physical vapor deposition (PVD) is the wear resistance coatings of cutting tools. The study on Ti-Si-N ternary nanocomposition coatings becomes a hot research point for searching novel hard coatings because it has good mechanical properties than simple binary alloy TiN. In this research, we try to simulate film growth process of Ti coatings and Ti-Si-N coatings which formed by co-depositing Ti, Si and N particles, including adsorption of incidence particle, diffusion, nucleation, growth of cluster, and so on. The effects of process parameters on microscopic structure and morphology of coatings are discussed by analyzing the simulation results. We try to improve the simulation algorithm, make own KMC programs, and simulate the movement of adsorption particle on the surface, which based on an understanding of the characteristics and limi