Cu团簇束在Fe(001)表面沉积薄膜的分子动力学模拟研究

The Fe/Cu magnetic multilayer film for giant magnetoresistance has been studied and applied widely. The structure of thin-films, which has formed in the preparation process of thin-films, decides the performance of thin-films. But the growth micro-process of thin-films cannot be directly detected because of the limitation of the experimental technologies and conditions, it limits the deep understanding of the forming mechanism of thin-films structure. In order to explore the microstructural growing mechanism, the forming mechanism and the evolution law of thin-films formed by the Cu cluster beam deposited onto a Fe(001) surface based on our previous simulation research, we reproduce the dynamic micro-process of thin-films formed by the Cu cluster beam deposited onto a Fe(001) surface using the molecular dynamics simulation method, we also investigate the structure and the property of thin-films by changing the deposited condition of the cluster，such as the incident energy of cluster, the size of cluster, the deposition rate of cluster and the temperature of substrate in this project. The simulation results can help to analyze and understand the experimental phenomena preferably, it can also optimize the experimental deposition conditions of the actual thin-film according to the structure and the property of the thin films simulated under different deposition conditions. In addition, this project can lay a solid foundation for our future work of the simulation of the Fe/Cu magnetic multilayer film formed by the Cu cluster beam and the Fe cluster beam deposited continuously onto the substrate.

Fe/Cu磁性多层膜具有显著的巨磁电阻效应，被广泛地研究和应用。薄膜结构决定了薄膜的性能，而在薄膜制备过程中，薄膜结构已经形成，但由于目前实验技术和条件的限制，实验上尚无法观察到薄膜生长的微观过程，局限了对薄膜结构形成机制的深入理解。本项目在原有模拟研究工作基础之上，利用分子动力学模拟方法，重现Cu团簇束在Fe(001)表面沉积薄膜的微观动态过程，通过改变团簇沉积条件，分析研究团簇沉积能量、团簇尺寸、团簇沉积率和衬底温度对薄膜结构和性质的影响，深入探究Cu团簇束沉积到Fe(001)表面所形成薄膜的微观生长机制、结构形成机制和演化规律。模拟结果不仅有助于更好地分析和理解实验现象，而且可以根据模拟不同沉积条件下所形成薄膜的结构和性质来优化实际所需薄膜在实验上的制备条件。此外，本项目工作可为下一步连续沉积Fe团簇束和Cu团簇束在衬底上生长Fe/Cu磁性多层膜的分子动力学模拟研究奠定坚实的基础。

Fe/Cu磁性多层膜因显著的巨磁电阻效应而被广泛应用，使得关于Fe/Cu磁性多层膜的研究一直为材料科学的研究前沿和热点之一。薄膜结构决定薄膜的性质。磁控溅射方法是目前在Fe/Cu磁性多层膜材料制备过程中使用最为广泛的方法，在该沉积方法中，沉积粒子输送到衬底的过程中，许多沉积粒子将结合形成团簇，最终以团簇的形式沉积到衬底表面，这些团簇的存在将对薄膜质量产生严重影响。因此，团簇沉积在Fe/Cu磁性多层膜材料制备过程中起到非常重要作用。目前实验上尚无法跟踪团簇沉积的微观过程，而分子动力学模拟方法可重现团簇沉积的微观过程，有助更好地理解团簇沉积的微观机制，从而可在原子水平上展示薄膜生长的微观过程、揭示薄膜的演化规律。.本项目在单个团簇与物质表面相互作用的分子动力学模拟研究基础上，利用Fortran95语言，编译Cu团簇在Fe(001)表面沉积薄膜的分子动力学模拟程序，开展Cu团簇束在Fe衬底表面沉积薄膜相关的分子动力学模拟研究，分析不同沉积条件对薄膜质量影响，深入地探究Cu团簇束在Fe(001)表面沉积薄膜的微观机制。模拟结果表明，团簇初始沉积能量是影响薄膜生长模式的主要因素，团簇尺寸也在一定程度上影响着薄膜的生长模式，而衬底温度不足以改变薄膜的生长模式。团簇初始沉积能量、团簇尺寸和衬底温度均对团簇沉积成膜的质量有一定的影响，通过综合分析薄膜表面粗糙度、薄膜外延度、薄膜内缺陷和薄膜内应力可知，当团簇沉积能量为10eV/atom左右时，尺寸较小的Cu团簇在温度较低的Fe(001)表面易形成表面光滑、内部缺陷少、较好外延度且与衬底有较强的结合能力的高质量Cu薄膜。此外，在项目执行过程中，开展了Cu55团簇与Fe(001)、Fe(011)、Fe(111)表面相互作用的分子动力学模拟计算，研究衬底晶格取向对团簇沉积效果的影响，模拟结果表明衬底晶格取向对团簇沉积效果有较大影响。.本项目研究工作，为连续沉积Fe团簇束和Cu团簇束在衬底上生长Fe/Cu磁性多层膜的分子动力学模拟研究工作奠定坚实的基础。