金属雕塑薄膜生长动力学及可控制备研究

Anisotropic metal sculptured thin films can be fabricated by glancing angle deposition. Due to the porous and controllable structures, metal sculptured thin films with the novel optial and electrical characteristics are very different from traditional optical thin films. These characteristics of sculptured thin films can be widely used in micro-nano optoelectronic device field. Exploring the growth mechanisms of the metal sculptured thin films in the microscopic scale plays a very important role in theoritical value and practical application. Precise understanding of the growth process could help us improve the quality of fabrication and develop novel optoelectronic thin films. Based on our previous work, the growth process of metal sculptured thin films will be explored by first-principle molecular dynamics and kinetic Monte Carlo. Accurate metal sculptured thin films dynamic scaling theory will be established. Through the research of temperature, deposition rate, rotation mode in metal sculptured thin films growth process, the controllable fabrication of metal sculptured thin films will be achieved. The results of this project will provide theoretical basis and available fabrication method of new micro-nano films. Besides, the practical results will be applied in optoelectronics, optical communications, biochemical sensing and other fields.

大角度倾斜沉积金属材料并辅以基底运动可以制备出各向异性的金属雕塑薄膜，其多孔且形貌可控的结构特点使之具有传统薄膜所没有的光电特性，可广泛应用于微纳光电器件领域。从微观尺度上探讨微纳金属雕塑薄膜生长机理，对于理解其生长过程、控制生长条件、提高薄膜制备质量以及开发新型薄膜器件具有重要的理论价值及应用意义。本项目将在已有的工作基础上，采用第一性原理分子动力学和动力学蒙特卡罗相结合的方法对金属雕塑薄膜的生长过程进行理论计算和计算机模拟；建立合理准确的金属雕塑薄膜动力学标度理论；研究各种制备参数如沉积温度、沉积速率、基底运动方式和基底预结构对金属雕塑薄膜生长过程的影响，并通过实验实现其量化可控制备。本项目的开展将为开发新型微纳薄膜器件提供理论依据和制备方法，并使其在光电子学、光通信、生物化学传感等领域得以实际应用。

利用制备过程中倾斜粒子流在基片上发生的动力学自组织过程可以批量化制备形貌可控的金属雕塑薄膜结构，其不同于传统薄膜的光电特性可广泛应用于微纳光电器件领域。为实现金属雕塑薄膜的量化可控制备，本项目通过计算机仿真系统的研究了生长中的动力学过程，总结其生长机制并克服了金属不易形成微纳结构的难点，得到具有较好表面性质的金属雕塑薄膜结构。. 项目首先基于第一性原理ci-NEB方法对具有代表性的Ag、Cu表面扩散势垒情况进行了系统的研究，包括近邻原子对层内、层间扩散强度的影响。在所得势垒的基础上建立KMC模型，研究了微纳结构的演化并揭示了随温度变化的非单调粗糙度变化的机制。根据扩散模型建立动力学蒙特卡罗模型分别研究了纳米尺度下原子扩散、表面结合、基团离解、晶化生长等竞争因素对材料生长的精细拓扑结构影响；以及温度、预结构及基底旋转等制备条件对薄膜亚微米尺度形貌的影响，建立了一系列标度关系。理论表明通过低温结合占空比较小的周期性预结构可以抑制Ag的扩散，辅以高速的基底旋转可以使Ag原子在阴影效应的作用下形成柱状阵列，改造后的制备平台证实了这一结论并成功的制备得到六方周期的直柱阵列。以所得薄膜为元件进行SERS特性测试也证明了金属雕塑薄膜的良好光电性质。金属雕塑薄膜生长机理的总结为制备更具有特异性的微纳结构提供了理论基础，特性的测试也为挖掘这类薄膜结构用于其他光电器件元件的潜力积累了经验。