（机械电子工程专业论文）物理气相沉积tisin纳米复合薄膜生长过程的计算机仿真研究.pdf

内蒙卉科技大学硕十论文 摘要 物理气柑沉积( p v d ) 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 的应月j 主要集中仵切削刀具表面的强化。币s i n 纳米复合薄膜南于比单一t i n 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韵主要方向之一。本课题以t i 、s i 、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 t i 薄膜和t i s i 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( m c ) 和分子动力学( m d ) 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m o n t ec a r l o 方法相结合的k m c ( k i n e t i cm o n t e c a r l o ) 方法来做为本课题研究的计算机模拟方法。该k m c 模犁引入了活粒予的概念， 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乍 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 需的团簇统计数掘。本仿真软件的设计是在v i s u a lb a s l e 6 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，在金属币膜生长过程中，当基底温度较低时，成核数日较多，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，团簇之问的空隙较小。 模拟数据也显示薄膜表面粗黻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，薄膜表丽粗糙度也随之增加。另外，统计结果也显示出， 沉积粒子与基底粒子结合力较强。在金属弧膜仿真结果的基础卜，在此项研究中对 t i s i - 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t i - s i - 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 内蒙 科技大学硕十论文 t h es i m u l a t i o no ft i - s i n c o d e p o s i t i o nn a n o c o m p o s i t ef i l m sg r o w t hw i t hp v d a b s t r a c t o n eo fi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n smm a c h i n em a n u f a c t u r i n go fp h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( p v d ) i st h ew e a rr e s i s t a n c ec o a t i n g so fc u t t i n gt o o l s ，t h es t u d yo n t i - s i - nt e r n a r y n a n o c o m p o s t o nc o a t i n g sb e o o m e sah o tr e s e a r c hp o i n tf o rs e a r c h i n gn o v e lh a r dc o a t i n g s b e c a u s ei th a sg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h a ns i m p l eb i n a r ya l l o y ni nt h i sr e s e a r c h , w et r y t os i m u l a t ef i l mg r o w t hp l o c e s so ft ic o a t i n g sa n dt i s i - nc o a t i n g sw h i c hf o r m e db y c o - d e p o s i t i n gt ，s ia n dnp a r t i c l e s , i n c l u d i n ga d s o r p t i o no fi n c i d e n c ep a r t i c l e ，d i f f u s i o n , n u c l e a t i o n , g r o w t ho fc l u s t e r , a n ds oo i l 豫e f f e c t so fp r o c e s sp a 删懈位f so i lm i c r o s c o p i c s t r u c t u r ea n d m o r p h o l o g yo f c o a t i n g sa l ed i s c u s s e db ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s w et r yt oi m p r o v et h es i m u l a t i o na l g o r i t h m m a k eo w r lk m cp r o g r a m s ，a n ds i m u l a t et h e m o v e m e n to fa d s o r p t i o np a r t i c l eo i lt h es t i f f - a c e ，w h i c hb a s e do na nu n d e r s t a n d i n go ft h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dl i m i t a t i o n so f m o n t ec a r l om e t h o da n dm o l e c u l a rd y n a 删c $ m e t h o d i no u r m o d e l ，t h ec o n c e p to fa c l i v ep a r t i c l ei si n t r o d t w 州w ec o n s i d e rn o to n l yt h eh o p p i n g p o s s i b i l i t i e so f a l lt h ea c t i v ep a r t i c l e so nt h es u f f a t 七b u ta l s ot h ei n l e l a 积o i lc h a n g e sh a p p e m x t i ) e t w c e ni l e a ln e i g h b o u rl m r t i c l e sa f t e re v e r yh o p w eg e ts t a t i s t i cd a t ao fc l u s t e r sb y d i s t i n g u i s h i n gd i f f e r e n tc o l o r sw h i c hc l u s l 班sp o s s 耐t h i ss d r w a r ei sd e s i g n e du n d e rt h e v i s u a lb a s i c 6 0e n v i r o n m e n t u s e r 啪i n p u tv a r i a b l e sc o n v e n i e n t l ya n dw a t c ht h em o v e m e n to f p a r t i c l e s f o rt h ed e p o s i t i o np r o c e s so fm e t a lt i ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h en u m b e ro f n u c l e a t i o np o i n ti sr e l a t i v el a r g ea n dt h es i z eo f c l u s t e r si ss m a l lw h e nt e m p e r a t u r ei sl o w b y c o n t r a r i e s ，t h ep o s s i b i l i t i e so ff o n m n gl a r g e rc l u s t e ri n c r e a s e da n ds p a c i n gb e t w e e nc l u s t e r s d i m i n i s h e dw i t hc l e a rc r y s t a lb o 岫r y a n dd a t ad i s p l a y e dt h a tr o u g h n e s sb e c a m es m o o t ht h e g r o w t h o f f i l m v ，a s i n t h e m o d e lo f 3 d v o l v e r w e b e r a n d t h es u r f a c er o u g h n e s s i n c r e a s e d w i t h 内蒙甫科技大学硕+ 论文 i n c i d e n c ev e l o c i t ) rm i s i n gl i la d d i t i o n s t a t i s t i c a ld a t as h o w e ds 缸o n gi n t e r a c t i o nf o r c eb e t w e e n a d a t o ma n ds u b s t r a t e b a s e do nt if i l m sg r o w t hs i m d a t o 玛w ee x e c u t e dt h es i m d a n o no f t i s i - nt e r n a r yf i l mg r o w t hu n d e rd i f l h - e mc o n d i t i o n s 曲mw h i c hw eh a v e g o t b e t t e r u n d e r s 诅n d i n ga b o u tt h ef o r m a t i o no ft i s i nn a n o c o m p o s m o nc o a t i n g s k e yw o r d s ：p h y s i c a lv a p o rd e p o s i f i o n ( p v d ) ，c o m p e e rs i m u l a t i o n ，f i l mg r o w t gc l u s t e r , k i n e t i cm o n t ec a r l om e t h o ( 研日吼 ) 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同_ l 作的同志对本研究所做的任似贡献均已在论文巾做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：盟日期： 关于论文使用授权的说明 本人完伞了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：墼导师签名：狴 日期：2 0 4 j 1 0 内蒙再科技大学硕十论文 1 1 前言 第一章绪论 切削7 j 具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术，由于 采用气褶沉积技术在刀具表丽制备硬质化合物涂层，可以有效提高切削刀具的使埽寿命， 使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高了机械加工效率。人们在牛产实践中 也逐渐意识到涂层刀具具有传统刀具所无法比拟的的高切削性和低生产成本的优势，冈 此为满足现代机械加工对刀具的使用要求，世界各国对涂层技术在刀具制造业中的应用 日益重视。 刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积( c v d ) 技术和物理气相沉积( p v d ) 技术 两大刿”。2 0 世纪6 0 年代以来，c v d 技术被广泛应并1 于硬质合金可转位刀具的表面处 理。尽管c v d 涂层只有沉积层纯度高、沉积层与基体的结合力强以及可以得到多元复合 涂层的优点，但c v d 技术亦有其缺点：一是工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度 f 降；二是薄膜内部呈拉应力，易导致刀具使用时产生微裂纹；三是排放的废气废液会 造成环境污染，与目前提倡的绿色制造观念相抵触，这些缺点在一定程度卜制约了c 技术的发展和应用，目前的c v d 技术主要应h j 于硬质合金类刀具的表面涂层。物理气相 沉积( p v d ) 技术的出现始于2 0 世纪7 0 年代末，由于采用p v d 工艺可大幅度提高高速 钢刀具的切削性能，所以该技术白8 0 年代以来得到了迅速推广。至8 0 年代末工业发达 国家的p v d 涂层的高速钢刀具所占比例已超过6 0 。p v d 技术在高速钢刀具领域的成 功应 鹃i 起了，世界各国制造业的高度重视，人们在竞相开发高性能、高可靠性涂层的同 时，也对其应用领域的扩展尤其是在硬质合金、陶瓷类刀具中的应用进行了更加深入的 研究。大量研究结果表明：与c v d 工艺相比，p v d 工艺处理温度低，在6 0 0 以下时对 刀具材料的抗弯强度无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于硬质合金精密复杂刀 具：p v d 工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。 内蒙 科技大学硕 论文 1 _ 2 课题研究的背景 自t i n 镀膜刀具开发以来，刀具表面涂层技术的发展经历了漫长的发展道路，由于 t i n 薄膜具有硬度商、摩擦系数小、韧性好等优点，在涂层刀具上得到了广泛的应用。 但单一的t i n 薄膜由于硬度不够高，高温红硬性及抗氧化性等综合机械性能不理想，因 此出现了t i c 、t i c n 、t i a i n 、t i a l c n 、t i n - a i n 等一系列多元复合涂层，以满足不同的 切削加工要求。纳米结构薄膜的形式多种多样，如纳米复合薄膜、纳米尺度多层膜、超 晶格薄膜、纳米量级薄膜等。在纳米薄膜的设计中需考虑多种因素的影响，如晶粒尺寸、 薄膜厚度、表面能和界面能、微观组织结构、应力和应变等，而所有这些因素都取决于 膜材的选择、沉积方法和工艺参数。纳米复合薄膜至少应包含两种相成分：纳米晶相和 非晶相，或两种纳米晶相的混合，具有比两种相简单混合的块体材料优越的机械性能。 般地，【2 j 对于硬度大于2 0 g p a 的薄膜材料称之为硬质材料；对于硬度大于4 0 g p a 的薄 膜材料称之为高硬材料；对于硬度大于8 0 g e a 的薄膜材料称之为超高硬材料。由f 纳米 复合薄膜的硬度取决于薄膜材料的设计和锚0 备方法，因此人们在进行广泛理论研究和大 量实验研究的基础上，正在努力开发并研制具有高硬度和高韧性的纳米复合薄膜材料， t i s i - n 纳米复合薄膜材科正是硬质薄膜开发和研究的主要方向之一。 1 9 9 4 年，德国材料学家v c p r e k 等人根据k o e h l e r 的外延异质结构( 超晶格) 具有超 硬性，提出了纳米复合超硬薄膜的理论和设计概念f 3 j ，并稚有等离子体增强化学气柑沉积 ( p e c v d ) 法制备的t i s i - n ( n c - t i n a - s i 3 n 4 ) 系统中被证实。v e 耐【等人认为，薄膜 沉积过程中形成这种n c - m e n s i 3 n 4 结构的条件是这两种材料不易混合，即在薄膜沉积过 程中两种材料的物相在热力学上有明显的分离趋势，以及相界面有高的结合能，另外， 其巾的无定形相应该有高的结构灵活性，在进行共格应变时不易形成悬键、空位和( 或) 其它缺陷。这两种材料一般应为弹性模量差别较大的高熔点物质，口使在较高温度下( 8 0 0 c ) 使j j 时，这种纳米复合结构也是极其稳定的，而且纳米晶粒内部的位锗等缺陷小 易通过无定形相而传播，同时可以避免晶界滑移。v e p r e k 等人的设计观点是基于两元或 三元系统热力学上的分离趋势，要求在高温下系统中各组元之问不易混合且出现成分调 幅分解。 姚应红等人f 4 j 采用多靶磁控轮流溅射的方法沉积了t i s i n 纳米复合薄膜，利用 内蒙 科技大学硕十论文 x r d 、t e m 、e d s 等手段分析了薄膜成分及微) 吼结构。研究结果表明，薄膜以t i n 为主 晶相，s i 3 n 4 呈非晶或纳米晶并沿t i n 晶相界分布，使t i n 形成纳米晶。随s i 含量的增 加，薄膜的非晶化程度提高，当野含荦i 为4 a t 时，薄膜硬度超过3 5 g p a ，f 目i 当戥含量 高于15 a t 时，硬度低于t i n 薄膜的硬度。e v a z 等人5 j 【6 1 1 7 悯射频反应磁控溅射方法研究 rt i l 。s i ，n ，薄膜的组织结构和机械性能。灾验结果表明，在硅禽量较低的情况下( x 铷0 5 ) x 射线衍射图显示出强烈的( 1 1 1 ) 取向，在中等硅含量下( 0 1 3 x o 2 2 ) 显示出( 2 2 0 ) 取向，在高硅含量下( 03 0 x o 3 7 ) 显示出( 2 0 0 ) 取向。硬度实验结果显示，当0 x o 3 时膜层硬度在2 2 g p a 3 6 g p a ，其中的t i o 8 5 s i o1 5n l 在3 0 0 c 时硬度值可达4 7 g p a ，是t i n 硬度的2 倍，在同样实验条件下，当温度升高至4 0 0 。c 时t i o8 5 s i o l 5n 】0 3 的 硬度值高达5 4 g p a ，临界破坏载荷约为9 0 n 。抗氧化性交验表明，6 0 0 c 时r i 0 8 5 s i 0 1 5 n l0 3 的抗氧化能力约为t ( n 的1 0 0 倍。上述实验结果表明。t i s i n 纳米复合薄膜比t i n 薄膜 具有较高的硬度和耐磨性、较好的抗氧化性和高温热稳定性。 1 3 计算机模拟方法简介 1 31 引言 在薄膜形成过程中，薄膜的性能和质量取决于成膜的微观组织结构，而薄膜的微观 组织结构又取决于制备的工艺参数，而目前来讲，薄膜制备的工艺参数r 在很大程度上还 依赖于经验的积累，凼此为提高薄膜质量，获得符合要求的薄膜制品，长期以来人们在 坚持不懈地进行着有关薄膜生长的理论和实践研究的探索。近年来，随着高真空技术和 表面分析技术的不断发展和完善，特别是扫描隧道显微镜( s t m ) 、原予力显微镜( a f m ) 等具有原子尺度分辨能力的观测设备的出现，使宜接观察薄膜形貌的演化成为可能，这 也为进一步深入了解薄膜生长的微观机制提供r 有力的理论依据。但由于传统实验都处 于一种近似“黑箱”的操作过程，人们无法商接观测到薄膜生长过程中沉积原子的微现 行为，因此基于高性能计算机的模拟方法应运而生。 随计算机性能和容量的不断提高和新的数学方法的不断涌现，使得计算机可以用来 模拟许多复杂的系统。计算机模拟作为科学研究的有效手段，有力地弥补j - 理论研究和 文验研究的不足之处，并与这两种研究方法瓦为补充。由于许多与原子行为有关的微观 3 内蒙 乖；技大学硕十论文 运动细节，通过般的理论计算难以确定其精确的运动方式，而且也无法通过实验来直 接观测到，因此有必要借助于计算机来模拟其变化的全部过程，以获取有关原子行为的 详细信息。通过对计算机模拟结果的分析和研究，人们不仅可以揭示理论和实验中不太 清楚的现象的本质和机理，而且还可以预测模拟对象的新的物性，甚至在模拟中还可以 通过设定在真实实验条件下所无法达到的极限条件或理想条件，来突出感兴趣的影响罱 索。 在薄膜生长过程的研究中，借助于计算机可以较方便地模拟出薄膜生长过程中的原 予的输运过程，这为进一步制备具有特殊性能要求的薄膜产品，探索优化的工艺参数提 供了理论指导，减少了实践工作中的宜目性。目前，在原子尺度f 二用计算机对薄膜生长 过程进行模拟的方法一般分为两类：蒙特卡罗( m c ) 方法和分子动力学( m d ) 方法。 1 3 2 蒙特卡罗方法 蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 方法又称随机模拟方法或统计实验方法例。m o n t ec a r l o 方 法的定名和系统发展始于2 0 世纪4 0 年代，l 在第二次世界大战期间，随着电子计算机的 出现和原子能技术的发展，使科学家们能够利用计算机对中子的扩散行为进行随机抽样 模拟。在这期间，由物理学家m e l r o p o l i s 和u l a m 于1 9 4 9 年发表的论文( m o n t ec a r l o m e t h o d ) ) 一直被学术界作为蒙特卡罗方法诞生的标志。蒙特卡罗方法的基本思想是：为 r 求解数学、物理、工程技术以及生产管理等方面的问题，首先建立一个概率模型或随 机过程，使其参数等于问题的解；然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求 参数的统计特征；最岳给出所求解的近似值。而解的精确度可用估计值的标准误荠来表 不。 蒙特卡罗方法是以抽样理论和随机数的产生为基础的随机性方法，属于计算数学的 一个分支。蒙特号罗方法的优点在于： ( 1 ) 蒙特卡罗方法及其程序结构简单，便于实现计算机编程和调试。 ( 2 ) 收敛的概率性和收敛速度与问题的维数无关，可以用来解决多维问题。 ( 3 ) 蒙特卡罗方法不受需连续性、可微性等条件的限制，凼此适应性较强。 由于m c 方法是以大量的抽样数据为基础的，因此为确保m c 方法模拟结果的可靠 内蒙青科技大学硕卜论文 性以及减少计算的工作量，一般采用m e t r o p o l i s 重要性抽样方法，这样可以保证系统能 够处于能量最低的稳定态。m e t r o p o l i s 的算法规则是： ( 1 ) 先任意选取种初始分布状态t o ，并计算当前系统的能量e ( t o ) ( 2 ) 用随机数r l ( 0 1 之问) 任选一个粒子使其分布状态发牛变化，并计算变化后 系统的能量e ( t 1 ) ( 3 ) 计算状态变化前后系统的能量若, - a e = e ( t i 卜- e ( t o ) ( 4 ) 若a e 一 0 ，则产生一个随机数r 2 ( o 1 之间) ( 6 ) 若r 2 e x p ( - a e ，k t ) ，则接受新状态并执行( 1 ) ( 7 ) 否则，拒绝新状态e l ，继续保持原有状态t o 从统计学角度看，薄膜生长过程是丈量微观粒予在给定的宏观约束条件下的集体行 为，但就每一个粒子而言，其行为都是随机的，因此可将薄膜生长过程视为一个随机的 动力学过程。m c 方法就是通过对该随机过程的研究，来确定多村子体系状态随时间推 移的演化过程。在薄膜形成过程中，气相原子的入射、入射原子的吸附、吸附原子的扩 散、再蒸发，均可视为一系列独立的随机过程，而m c 方法正是解决随机性问题的最有 效的处理方法。用m c 模拟可以再现成膜的各个细节，以便寻找成膜的规律和分析缺陷 产生的原因，从而制备出符合要求的薄膜材料。为使m c 模拟的结果有效，需要全面考 虑粒子可能进行的所有运动及运动方式。甫于在m c 模拟中，一般通过计算粒子在一次 迁移中的始态和终态的能量，即可确定粒子进行此次迁移的概率，而无需求解大量粒子 的复杂的运动方程，因此计算方法比较简单，便于结构化编程，但缺点是计算结果的精 度不高。 1 3 。3 分子动力学方法 分子动力学( m o l e c u l a rd y n a m i c s ) 方法属于确定性的模拟方法l ”，其基本思想是： 对于一个由多粒子构成的体系，其系统的微观状态可由各粒子的位置和动量所决定。这 就需要首先建立一组粒子的运动方程，通过直接对系统中各个粒子的运动方程进行数值 求解，得到每个时刻各个粒子的坐标和动量，然后再利用统计计算方法得到多体系统的 内蒙古科技大学硕十论艾 静态和动态特性，从而得到系统的宏观特性。 m d 方法的发展始于2 0 世纪5 0 年代扁期，见表1 。 表1 分子动力学方法发展览表 年代 创立者分子动力学分类名称 j 】9 5 7 年 a l d e r & w a i n w r i g h t 剧性球分f 动力学方法 t 9 6 3a r -r a h m a n 质点系分子动力学方法 1 9 7 1 年 r a h m a n & s t i l l i n g e r刚性系统分子动山学方法 1 9 7 2 证l e e s e d w a r d s 半衡系统分子动力学方法 1 9 7 7 正 r y c h a e r te ta l约束系分子动力学方法 1 9 8 0 侄 a n d e r s e n , p a r r m e l l o r a h m a n恒压分子动力学方法 1 9 8 3 年g i j l a n & d i x o n 非平衡系统分子动力学方法 1 9 8 4 证n o s e 恒温分子动力学方法 t 9 8 5 年 c a r p a n - i n e u o 第一性原理分予动力学方法 1 9 9 1 年 c a g m & p e t t l t t巨正则系统分子动力学方法 1 9 5 7 年a i d e r 和w a i n w r i g h t 通过求解多粒子体系的n e w t o n 运动方程，发现了硬球 模型下的液体固体相变( 亦称a l d e r 相变) ，从而开创j ，多粒子体系的分子动力学方法。 1 9 6 7 年v e r l e t 提出了求鳃n e w t o n 运动方程的著名的v 盯l e t 算法和v e r l e t 近邻表的概念， 从而进一步推动了分子动力学的发展。1 9 7 1 年r a t m a a n 和s t i l l i n g e r 首次把分子动力学应 用于更为复杂的分子体系。1 9 7 2 年l e s s 和e d w a r d s 首次将分子动力学方法扩展到了处于 非、平衡态的系统，随后一些有关非平衡体系的分子动力学方法相继建立，这就使人们可 以利用分子动力学方法对材料的表面、界面问题进行研究。1 9 8 5 年c a r 和p a r r i n e l l o 提出 了将电子论和分子动力学方法有机结合的所谓的第一性原理分子动力学方法( 即c p 方 法) ，使得分子动力学体系得到了进一步发展和完善。之后，随着一些有效势的出现，分 子动力学方法逐渐被应用于薄膜材料体系的研究。 m d 方法一般认为单个粒子的运动服从经典的牛顿运动定律，因此根据n e w t o n 运动 微分方程的表达式，一旦粒子的初始条件( 如初始位置和初始速度) 和运动过程中的受 内蒙古科技大学硕十论文 力状况确定后，系统就可以被精确求解。但南于多体系统的粒子数日较大，因此要追踪 系统内各个粒子的运动细节所需的计算量就会很大，并月系统初始条件的差异，对最终 计算结果的影响也较大。 1 3 4 原子闻相互作用势 无论采用哪一种方法来进行计算机模拟，首先都必须先知道各原子问的相互作用贽。 从理论上来说，原子间的势函数可以通过求解相应的薛定谔( s c h r o d i n g e r ) 方程来获得， 但这种做法目前还存在着较大的理论上和操作上的困难，即使是采用数值解法，也会凶 较大的计算量而无法实现。由于多原予体系中原子问相互作用的复杂性，因此势函数尚 无统一韵表达式。目前，原子之间的相互作用势通常是通过经验拟合或半经验解泫得到 的，因此在使用上都有一定的局限性，需要根据具体的材料及原予结构来决定采用何种 辫函数形式。迄今为止，人们已经提出了许多势函数模型，其中比较具代表性的的势函 数有：1 9 l f l l j ( 1 ) l e n n a r d - j o n e s ( l j ) 势 l - j 作用势也叫l - j 方程，是1 9 2 4 年l e n n a r d 和j o n e s 根据实验和经验提出的简单对 势，它是一种简单非库仑的经验势，其参数基于统计力学。l j 势的一般形式为 喇= 軎一軎 d 通常n 值取9 1 5 ，现广泛使用的是n = 1 2 ，因此式( 1 - 1 ) 可改写为 哇，。t r ，：4 s 。f ( 孚 1 2 一( 孚 6 1 c ，z ， 其中s 。是表示力的强度的参数，是表示原子大小的参数。l - j 作用势是为捕述惰 性气体分子之间相互作用力而建立的，因此它表达的作用力较弱，描述的材料的行为也 就比较柔韧，有人用它来描述铬、钼、钨等体b 立方过渡族金属。由于l j 作用辨形式 简单、计算量小，可用于解决较大规模的问题，特别是对惰性元素组成的系统或含肓液 相的纳米体系。 ( 2 ) m o r s e 势 内蒙 科技大学硕十论文 m o r s e 势是m o r s e 于1 9 2 9 年根据化学键作用原理，提出用于研究原子之问相互作用 的一种经验势，其参数主要基于实验数据，m o r s e 势函数的一般表达式为 垂f ( 勺) = 4 k 。h 一”2 e “h * j ( 1 - 3 ) 其中：a 为平衡态的最近邻原子间的作只j 势，为两个原予阀的距离，口是表示作 用范围的参数。m o r s e 势函数常主要用于描述原予团簇、非晶态纳米物质和液体的结构 与性质的模拟研究。 m o r s e 势与j o h n s o n 势经常用来描述金属固体，m o r s e 势的贽阱大于j o h n s o n 势的势 阱，因此前者描述的作用力比后者强，并且前者的作用力范围也比后者长。 ( 3 ) 嵌入原子势( e m t 埘d e da t o mm e t h o dp o t e n t i a l e a m ) d a w 和b a s k e s 在1 9 8 4 年首次提出了嵌入原子法( e a m ) ，该方法的基础是密度泛函 理论。e a m 势的基本思想是把晶体的总势能分成两部分：一部分是位于品格点阵 ：的原 子核之间的相互作用对势，另一部分是原子核镶嵌在电子云中的嵌入能，代表了多体的 相互作用，e a m 势的一般表达式为 中= e 如) + 毒办b ) ( 1 - 4 ) i- ，t 7 式巾f ( 见) 是嵌入能函数，第2 项是对势函数可根据需要取不同的形式。p 。是除第 i 个原子以外的所有其它原子的核外电子在第i 个原子处产生的电子云密度之和，通常采 用球对称原予电荷密度叠加来计算。对于不同的金属，嵌入能函数和对势函数需要通过 拟合金属的宏观参数来确定。e a m 势虽然计算较为复杂，但能够较准确地反映原予之臼j 的多体作用，特别适用于纳米金属体系合含有极性键原子结构的纳米材料。 ( 4 ) 紧束缚势( t i g h t - b i n d i n gp o t e n t i a l ，t b 势) 紧束缚势从第一性原理出发，通过考虑电子波动的特性，以局域密度近似( l d a ) 和阶动量矩近似( s d a ) 为基础，与由缀加平面波方法( a p w ) 计算所得能量进行曲 线拟合得到的作用势，势函数的参数基于量子化学的从头计算法和实验数据，t b 势函数 的一般表达式为 e。=z，i。z，+。a邪ex一弓一，一i；：=：网c，一s， 内蒙卉科技赶学硕 丈 t b 作用势与其他作用势相比具有计算简便、适用范围广、模拟速度快以及模拟的准 确性高的特点。 当前计算机模拟中采用第一性原理计算原子问相瓦作用势的函数形式多种多样，它 们都因各自在某一方面有一定的适用性和准确性而独立地发展着。此外，对于半导体材 料还有一些特殊的作用势，如s t i u g e r - w e b e r 势、t e r s o f f 势、b r e n n e r 势、g a r o f a l i n i 二体 势等。 1 4 本课题研究的内容和目的 人们在利用材料的力学性能时，总是希望所使井j 的材料既具有较高的强度义具有较 好的韧性，但一般的材料却无法同时满足这两个条件，因此寻求既强又韧的材料成为人 们关注的焦点。作为刀具材料之一的金属材料本身有较好的韧性但强度刁i 高，为实现金 属材料的强化，从理论上讲一般有两条途径：一是完全消除内部的位错和其他缺陷，使 其强度接近于理论强度。但这种方法因所获得的高强度不够稳定，目前还难以应用于突 践；二是引入大量缺陷以阻止位错的运动。这种方法可以通过加工硬化、晶粒细化等措 施来实现。晶粒尺寸越小，单位体积内的晶粒就越多，形变时同样的形变量便可分散到 更多的晶粒中，产生均匀的形变丽不会造成局部应力过度集中，引起裂纹的过早产生和 发展，因此多晶体的强度要高于单晶体。由于薄膜材料本身具有比表面积犬、所台位错 密度高的特点，因此大量缺陷的存在对晶界的迁移和裂纹的扩展有较强的钉扎作用，从 而提高了薄膜材料的强度。 由于近年来固体物理、量子化学、计算数学等理论科学的发展和科学测试仪器的不 断进步，使人们可以从原予尺度上来设计并排列材料的微观结构。本课题研究的目的即 是根据物理气相沉积反应溅射方法的机理，利用计算机对t i 、s i 、n 三种粒予共沉积形 成纳米复合薄膜的初期生长过程进行模拟，以探索不同过程工艺参数和不同材料组分的 变化对膜层性能的影响机理及规律，从而最终获得具有较高综合机械性能的涂层刀具材 料。就薄膜的微观组织结构而言，就是通过将不同种类的低维纳米粒子以原予形式共同 弥散于基底材料表面，在成膜粒子之间和成膜粒子与基底粒子之间的相瓦作用和制约下， 形成t i n 和s i 3 n 4 两种相成分自然分离，非晶态的s i 3 n t 呈连续的湖状结构，并作为晶界 内蒙卉科技大学硕十论文 将t i n 分隔为无数的小区域，从而形成小尺寸的t i n 纳米晶结构。由于位于晶界处的无 定形的氮化硅不仅对1 讲晶粒的长大有较强的抑制作用，而目也有助于阻止微裂纹的形 成和扩展，从而最终使币。s i - n 纳米复合薄膜既具有较高韧性又具有较高硬度。 1 5 本课题研究的意义 在薄膜材料的研制过程中，分析和研究薄膜生长的微观形态和组织结构的变化，对 于提高薄膜制品的质量及性能有着重要的理论价值和突践意义。除r 运用高精度的实验 观测设备来进行分析和研究外，利用计算机对成膜粒子的微观行为进行模拟，交时地显 示薄膜形貌的演化过程更是一种必不可少的分析手段。利用计算机来对薄膜生长过程进 行仿真研究的重要意义在于： ( 1 ) 借助于高性能计算机，可以方便地设置不同的输入参数来模拟出不同环境条件下 薄膜生长的形貌变化，从而了解不同丁艺参数的变化对成膜性能和质量的影响，这为优 化制膜工艺参数提供了可靠的理论依据。同时，亦可通过突出某些个别因素的影响效果。 ( 2 ) 通过建立合适的微观物理模型，可以深入到原子尺度柬研究成膜粒子的微观行 为，并在屏幕上动态实时地显示薄膜形貌的变化过程，使模拟结果更具直观性。 ( 3 ) 通过对薄膜形貌变化的分析和研究，可以寻找薄膜生长的规律和机制，在此基础 卜- 可以预测新的现象和理论，同时还便于将模型与吏验进行比较和验证。 ( 4 ) 由于采用了具有高性价比和高可靠性的大容量计算机，可以大幅度降低新的薄膜 材料的研制和开发的成本，并且提高了材料性能预测过程中的安全性。 内蒙古科技太学硕十论文 参考文献 【l 】赵海波国内外切削刀具涂层技术发展综述加工具技术2 0 0 2 ；3 6 ( 2 ) ：3 7 f 2 】s a mz h a n g , d e e ns u n , y o n g q i n gf u , h e j t md u r e c e n ta d v a n c e so fs u p e r h a r d n a n o e o m p o s i l e c o a t i n g s ：ar e v i e w j s u r f a c e a n d c o a t i n g s l k l m o l o g y 2 0 0 3 ；1 6 7 ：1 1 3 - 1 1 9 3 】赵红雨范秋林宋力昕施尔艮胡行方纳米复合超硬薄膜的研究现状明无机材 料学报2 0 0 4 ；1 9 ( 1 ) ：9 - 1 6 4 】姚应红孔向阳戴嘉维李戈扬t i s i - n 纳米薄膜的微结构及力学性能研究啊功 能材料增刊2 0 0 1 ：1 0 ：1 5 8 4 - - 1 5 8 6 【5 】e v a z ，lr e b o u t a ，s r a m o s , a c a v a l e i r o ，m e d as i l v a , j cs o a r e s p h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t i l 毒s i x nf i l m s j s u r f a c e a n d c o a t i n g s t e c h n o l o g y 1 9 9 8 ；1 0 0 - 1 0 1 ：1 1 0 q 1 5 ( 6 】e v a z ，l r e b o u t a , s r a m o s ，m e d as i l v a , j c s o a r e s p h y s i c a l ，s t r u c t u r a la n dm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i z a t i o no ft i l 。s i ；n 。f _ i l m s j s u r f a c ea n dc o a t i n g st e c h n o l o g y 1 9 9 8 ；1 0 8 - 1 0 9 ： 2 3 6 2 4 0 f 7 je v a z , l r e b o l l l a ，p g o u d e a u , j p a c a u d , h g a r e m ，j p r i v i e r e ，a c a v a l e i r o ，e a l v e s ， c h a r a c t e r i s a t i o no f t i l x s i x n yn a n o c o m p o s i t ef i l m s 明s u r f a c ea n dc o a t i n g st e c h n o l o g y 2 0 0 0 ； 1 3 3 1 3 4 ：3 0 7 - - 3 1 3 【8 】徐钟济蒙特卡罗方法上海：上海科学技术出版社1 9 8 5 【9 】9 文玉华朱如曾周富信王崇愚分子动力学模拟的主要技术【j 】力学进 展2 0 0 3 ；3 3 ( 0 1 1 ：6 5 - 7 3 【1 0 】吴兴惠项金钟编著现代材料计算及设计教程- | b 京：电子工业出版社2 0 0 21 2 2 1 2 3 【1 1 】郭玉宅杨儒李敏刘家祥李友芬纳米材料科学的计算机模拟研究及其应用翻中国 基础科学2 0 0 3 ；5 ：2 6 31 内蒙古科技大学硕十论文 第二章薄膜生长仿真研究的进展 近年来，随高真空技术和表面分析技术的发展，特别是扫描隧道显微镜( s t m ) 、原 子力显微镜( a f m ) 等具有原子尺度分辨能力的观测设备的出现，使甑接观察薄膜形貌 的演化成为可能，人们对薄膜生长的研究也取得了可喜的成果。m i c h e l y l ”，r o d e t i “，b r u n e i 等人的实验观察发现，岛的形貌与基底温度有着密切的关系：在低温条件下( t 2 0 0 k ) ， 岛的形貌主要表现为分形生长，这时岛形貌与基底表面的晶格结构无关；随基底温度的 升高( 2 0 0 k t 7 0 0 k ) ，薄膜的形貌仪取决于最终的潺度。 随着薄膜实验研究的开展，相应的关于薄膜生长的理论模型也层出不穷，下面就不同时 期薄膜生长仿真研究的进展情况作简要回顾。 2 1 薄膜生长过程仿真研究的原子模型 基于不同的计算机模拟方法和考虑问题的角度，人们提出了许多计算机模拟模型。 较早研究微粒形成过程的模型是e d e n 模型，其基本思想是：首先设定一个种子位置，然 后随机地往种子位置附近沉积粒子，当粒子遇到种子时就在其旁边的空位处凝聚下来。 在e d e n 模型中，由于粒子是被产生于种子附近位置，所以粒子吸附后一般不再进行扩散 运动，因此模拟结果能够产生较致密的稳定岛，且薄膜生长初期聚集体的密度与其尺寸 无关，所以薄膜几乎不会出现分形( f r a e t a l ) 生长。但该模型显然过于简单，与实际情况 差别较大。 为解释薄膜的分形生长现象，1 9 8 1 年w i t t e n 和s a n d e r 共同提出了表面扩散限制聚集 ( d i f f u s i o n - l i m i t e d - a g g r e g a t i o n , d l a ) 模型1 4 j ，该模型的基本思想是：在远离种子的位 置处随机地沉积粒子，粒子吸附后在基底上做随机行走，当它与其它粒子相遇并结合成 团后就不再扩散。若不考虑粒子沿岛边界的扩散，则薄膜生长的形貌呈分形生长。d l a 模型虽然考虑了吸附粒子的扩散运动，并能很好地解释分形生长的原因，但该模型还未 能考虑实际沉积过程的生长条件( 如入射粒子的剩余动能、基底温度、晶格