动力学+Monte+Carlo+方法对量子点生长微观机理模拟的进展-解释.pdf

文章编号:１ ００ １-９７３ １(２０ １ ５)２２-２２００ １-０９ 动力学Monte Carlo 方法对量子点生长微观机理模拟的研究进展? 周艳华,杨　杰,王　茺,杨　宇 (云南省微纳材料与技术重点实验室,昆明 ６ ５００９ １) 摘　要:　为深入理解生长因素及应变对量子点形成 的影响,科研工作者采用动力学蒙特卡罗方法对量子 点的生长进行了大量研究.简要概括了采用动力学蒙 特卡罗法(kinetic monte carlo,KMC)模拟量子点生长 的研究进展.主要从模型结构和原子间相互作用势的 差异来介绍量子点二维层状生长向三维岛状生长过 渡、成核位置、量子点尺寸分布以及量子点形貌转变等 内容.此外还简单介绍了图形衬底上有序量子点生长 的模拟研究进展,为量子点生长及应用奠定了坚实的 基础. 关键词:　动力学蒙特卡罗;量子点;相互作用势;自组 织生长;图案衬底 中图分类号:　O４-１ 文献标识码:A DOI:１ ０．３９ ６ ９/j．issn．１００ １-９７３ １．２０１ ５．２２．００１ １　引　言 半导体量子点在纳米电子学、纳米光子学和光电 子学等领域具有相当广泛的应用前景.其中硅基锗量 子点器件因其制备工艺与成熟的大规模集成电路工艺 的兼容性而更加受到人们的重视.目前采用晶格失配 自组织生长法是制备量子点的主要方法之一,但对于 量子点自组织生长微观机理的实验研究还远不能实现 对生长过程的有效控制,所以有必要针对量子点生长 过程进行更深入的研究.随着计算机技术的进步和对 物质不同层次的结构及动态过程的理解的深入,利用 计算机对原子尺度的量子点生长过程进行模拟,是进 行量子点材料研究的有效方法.研究量子点生长过程 的模拟方法有第一原理分子动力学,经典分子动力学, 蒙特卡罗方法(MC)和动力学蒙特卡罗方法(KMC), 这些方法对研究对象的时间尺度与空间尺度各不相 同,各有优缺点.然而,目前最有力的模拟手段当属动 力学蒙特卡罗模拟. 动力学蒙特卡罗方法已经被用于 InAs/GaAs 以 及 Ge/Si 薄膜及量子点等外延生长过程的研究,计算 结果与实际情况相符.最早关于薄膜生长的 MC 模拟 是建立在 Salik[１]提出的表面分子扩散运动机制的薄 膜生长模型基础之上的,该模型考虑了原子扩散过程 中与周围原子的相互作用及衬底温度的影响,但所考 虑的影响因素不够全面.Bruschi 等[２]发展了 Salik 模 型,考虑了薄膜生长过程中的 ３ 个基本过程:沉积、扩 散和蒸发.且认为每个过程的发生由其各自的速率决 定,吸附原子在表面上的扩散速率则由它与周围原子 的相互作用及衬底温度决定,其中原子向各个方向运 动所需要克服的势能是利用 Voter[３]理论计算的结 果.最近,P．P．Petrow 与 W．Miller[４]采用一种新型快 速模拟自主装量子点阵三维异质外延动力学蒙特卡罗 模型,对应力引起的长程弹性相互作用进行了简单的 修正,然后对 InAs/GaAs(００１)系统进行模拟,得到的 量子点尺寸分布均匀,有序性较高,这与实验结果能够 很好地相符.在国内,也有一些采用 KMC 法模拟薄 膜及量子点生长的相关报道.其中,以北京邮电大学 的信息光子与光通信课题组研究结果具有代表性[５-７], 他们运用解析方法对量子点的结构进行分析,通过对 积分函数进行计算,可以得到各种量子点结构的应力 应变分布,并建立简单的 KMC 模型.之后他们采用 KMC 二维模型模拟了 GaAs 应变弛豫图形衬底上 InAs量子点生长的早期阶段,并深入研究了温度、生长 停顿和沉积速率等重要参数对量子点生长的影响.最 近,基于 KMC 方法,他们又建立了量子环的自组织生 长模型,通过设计衬底中量子点的不同埋藏条件,实现 了对自组织外延量子环的生长尺寸和位置的调控,进 一步可以实现双量子环及多量子环的生长[８]. 本文首先对 KMC 法及其物理模型的分类做简要 介绍;其次,将对自组装量子点和有序量子点的 KMC 生长模拟分别进行详细的介绍. ２　KMC 简介及其物理模型的分类 计算机模拟材料生长方法大体可分为两类:一是 动力学方法;二是蒙特卡罗方法.前者一般需要针对 具体物质采用不同的原子间互作用势的形式和参数, 根据具体制备方法建立不同的动力学模型,需要在巨 型计算机上追踪计算数以万计的粒子在各瞬时受的 力、运动速度和轨迹二沉积粒子在衬底表面的运动状 况.显然,这样做难度是比较大的.然而,考虑到成膜 １００２２周艳华 等:动力学 Monte Carlo 方法对量子点生长微观机理模拟的研究进展 ? 基金项目:国家自然科学基金资助项目(１ １２７４２ ６ ６);云南省应用基础研究计划重点资助项目(２０１ ３FA０２９);云南大学校级理工 基金资助项目(２