|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Высокопроизводительные технологии моделирования релаксационных процессов в наноструктурированных тонких пленкахНИР
- Руководитель НИР: Тихонравов А.В.
- Участники НИР: Горох А.А., Григорьев Ф.В., Кондакова О.А., Кочиков И.В., Лукьяненко Д.В., Смирнова Е.Н., Сулимов А.В., Сулимов В.Б., Шарапова С.А., Шаров А.Н.
- Подразделение: 4.14.Лаборатория вычислительного эксперимента и моделирования
- Срок исполнения: 1 января 2014 г. - 31 декабря 2016 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 14-11-00409
- Номер ЦИТИС: 114090540011
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Математическое моделирование, методы вычислительной и прикладной математики и их применение к фундаментальным исследованиям в различных областях знаний и в нанотехнологиях
- ПН России: Информационно-телекоммуникационные системы
- Направление технологического прорыва России: Стратегические информационные технологии
-
Ключевые слова:
высокопроизводительные вычисления, релаксационные процессы
-
Описание:
В рамках проекта предполагается разработать методику математического моделирования процесса напыления аморфных тонких пленок и последующего вычисления их электронных и оптических свойств. Впервые планируется применить технологии математического моделирования для предсказания особенностей структуры пленок и их физических свойств при варьировании параметров напыления для наиболее актуальных процессов напыления. Структурные особенности пленок определяют их оптические свойства, которые в свою очередь существенны с точки зрения практического применения оптических нанопокрытий. Моделирование процесса формирования диэлектрической пленки при осаждении атомов металла и молекул кислорода (разрыв-образование химических связей, диффузия осажденных атомов и пр.) будет проведено методами молекулярной динамики. Моделирование и вычисление электронных и оптических свойств (структуры энергетических уровней, ширины запрещенной зоны, комплексной диэлектрической проницаемости) предполагается произвести с помощью методов квантовой механики.
-
Abstract:
Mathematical modeling nowadays is widely engaged in the process of designing materials with the prescribed properties for new generations of industrial devices and gadgets. A remarkable example of such materials is presented by thin films that find applications in the optical systems, optoelectronic devices and optical fiber cables. Modeling of such amorphous systems requires advances in the methods and hardware for highly efficient computations that became available only recently, with development and growth of supercomputer complexes. Physical and optical properties of thin films deposited in vacuum chambers may be significantly improved by annealing (slow heating with subsequent cooling). At the microscopic level, annealing is characterized by structural relaxation, decreasing of the residual stress, lowering of the defect concentration and spatial inhomogeneity. At present, in the scientific literature there cannot be found a physicochemical model at atomistic level that could allow the description of the relaxation processes in the thin films as a function of the parameters of deposition and subsequent annealing. The problems that hinder creation of such a model are mostly due to the necessity of the long-range (lasting for nanoseconds) modeling of the molecular clusters with characteristic dimensions up to 100 nm containing ~106 atoms. Systematic simulation of the nanometer-sized clusters with required accuracy has become possible only recently with the growing availability of the supercomputers with the number of computational nodes exceeding 103 to 104. In the framework of this project, it is suggested to develop atomistic model of the relaxation processes at the nanometer scale in the thin films. Such a model will be capable to partially substitute experimental investigations by highly-efficient mathematical modeling with the use of supercomputers. The model would account for the parameters of the film deposition process (energetic and angular distribution of the deposited atoms, temperature and structure of the substrate, possibility of certain chemical reactions, etc.) as well as of the annealing procedure (the rates of heating and cooling, temperature range). For the quantitative description of the film structure the model provides calculation of the local and integral (averaged by the cluster) density and radial distribution function. This data will serve as a base for determining adhesive properties of the simulated thin films and for characterization of their main volume and surface structural defects. Certain spatial configurations affecting optical properties of the films will be rendered more precise with the use of advanced methods, including quantum molecular dynamics. Optical properties will be determined on the base of analytical models accounting for inhomogeneity at the microscopic level as well as on the base of quantum chemistry methods.
-
Планируемые результаты:
Будут разработаны технологии математического моделирования релаксационных процессов и отжига в тонких пленках, учитывающие конкретные физико-химические параметры напыления и отжига. Практическое использование технологий математического моделирования возможно по следующим направлениям: • замена реальных экспериментов, ориентированных на улучшение технологий, численным моделированием • пошаговая иллюстрация протекания реальных экспериментов • применение разработанных технологий высокопроизводительного моделирования для решения задач, аналогичных поставленной • использование программной реализации технологий высокопроизводительного моделирования с целью обучения студентов профильных вузов При создании технологий математического моделирования будут использованы современные атомистические методы (молекулярная динамика, метод Монте-Карло, квантовая химия) в алгоритмической реализации, предназначенной для вычислений с использованием суперкомпьютеров с числом ядер 103-104 (в том числе графических процессоров). Указанные методы позволяют с достаточной точностью рассчитывать параметры, характеризующие структурные и оптические свойства тонких пленок.
-
Научный задел:
Группа заявителей проекта имеет большой опыт молекулярного атомистического моделирования (в том числе суперкомпьютерного), направленного на предсказание структуры и свойств наноразмерных объектов. Сотрудники МГУ им. М. В. Ломоносова, которые будут привлекаться к выполнению проекта, на высоком уровне владеют современными методами молекулярного моделирования, в том числе методами квантовой химии, молекулярной динамики и Монте-Карло, методами визуализации получаемых результатов. Группа имеет опыт атомистического моделирования характеристик наноматериалов различного состава и свойств, в том числе органических и неорганических кристаллов, межмолекулярных и супрамолекулярных комплексов, а также разработки программных комплексов, ориентированных на моделирование хемосенсоров, новых материалов для солнечных батарей, биологически активных молекул. Участники проекта имеют большой опыт в моделировании оптических параметров тонких интерференционных пленок и экспериментального определения параметров, необходимых для молекулярного моделирования и располагают достаточным экспериментальным материалом для верификации результатов моделирования методами МД и КМ.
-
Основные результаты:
Была создана и успешно апробирована атомистическая модель процесса напыления пленок стеклообразного диоксида кремния, включающая модели подложки, источника атомов, способ учета химических реакций в вакуумной камере, температуру, а также угловое и энергетическое распределения осаждаемых атомов, граничные условия и статистические ансамбли. В этой модели взаимодействие осаждаемых атомов с атомами подложки и напыляемой пленки учитывается в рамках специально разработанного оригинального силового поля DESIL, позволяющего описывать с высокой точностью основные структурные свойства (плотность, радиальную функцию распределения, геометрию сетки химических связей и точечные дефекты) стеклообразного диоксида кремния, а также получение кварцевого стекла плавлением кристаллического кварца. Процесс напыления организован как последовательность однотипных циклов, в каждом из которых напыляемые атомы взаимодействуют с подложкой и ранее напыленными слоями пленки, образуя химические связи Si-O. Плотность потока выбирается из условия, чтобы последовательные соударения высокоэнергетических атомов с поверхностью можно было рассматривать как независимые. Модель реализована в рамках оригинальной программы KUVALDA и апробирована на суперкомпьютере «Ломоносов» МГУ им. М.В. Ломоносова. Для моделирования использовались несколько пакетов молекулярной динамики: GROMACS, LAMMPS и DL-POLY. Исследована эффективность многопроцессорного моделирования и показано, что оптимальным является число вычислительных ядер 128 и 64 для пакетов GROMACS и LAMMPS соответственно, которое определяется эффективностью распараллеливания этих пакетов. Впервые было проведено атомистическое моделирование напыления пленок толщиной более 10 нм, когда число атомов в напыленном слое было более одного миллиона. Показано, что при энергии напыляемых ионов кремния 10 эВ концентрация точечных дефектов напыленной плёнки менее 1%, её плотность на 0.08 г/см3 превышает плотность стеклообразного диоксида кремния (2.20 г/см3), а основные характеристики атомной структуры напыленной плёнки, такие как радиальная функция распределения атомов, валентные углы и длины связей Si-O, близки к характеристикам высококачественного синтетического кварцевого стекла. Показано, что толщина переходного слоя подложка-пленка составляет 2 нм. Изучение динамики зависимости плотности от толщины пленки в процессе ее напыления показало, что изменение плотности возможно и в относительно глубоких слоях, отстоящих от формируемой поверхности на 10 нм. Используя полученные в работе данные о динамике плотности пленки, проведены расчеты динамики оптических свойств пленки при ее росте.
- Добавил в систему: Шарапова Светлана Анатольевна
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Высокопроизводительные технологии моделирования релаксационных процессов в наноструктурированных тонких пленках |
| Результаты этапа: Была создана и успешно апробирована атомистическая модель процесса напыления пленок стеклообразного диоксида кремния, включающая модели подложки, источника атомов, способ учета химических реакций в вакуумной камере, температуру, а также угловое и энергетическое распределения осаждаемых атомов, граничные условия и статистические ансамбли. В этой модели взаимодействие осаждаемых атомов с атомами подложки и напыляемой пленки учитывается в рамках специально разработанного оригинального силового поля DESIL, позволяющего описывать с высокой точностью основные структурные свойства (плотность, радиальную функцию распределения, геометрию сетки химических связей и точечные дефекты) стеклообразного диоксида кремния, а также получение кварцевого стекла плавлением кристаллического кварца. Процесс напыления организован как последовательность однотипных циклов, в каждом из которых напыляемые атомы взаимодействуют с подложкой и ранее напыленными слоями пленки, образуя химические связи Si-O. Плотность потока выбирается из условия, чтобы последовательные соударения высокоэнергетических атомов с поверхностью можно было рассматривать как независимые. Модель реализована в рамках оригинальной программы KUVALDA и апробирована на суперкомпьютере «Ломоносов» МГУ им. М.В. Ломоносова. Для моделирования использовались несколько пакетов молекулярной динамики: GROMACS, LAMMPS и DL-POLY. Исследована эффективность многопроцессорного моделирования и показано, что оптимальным является число вычислительных ядер 128 и 64 для пакетов GROMACS и LAMMPS соответственно, которое определяется эффективностью распараллеливания этих пакетов. Впервые было проведено атомистическое моделирование напыления пленок толщиной более 10 нм, когда число атомов в напыленном слое было более одного миллиона. Показано, что при энергии напыляемых ионов кремния 10 эВ концентрация точечных дефектов напыленной плёнки менее 1%, её плотность на 0.08 г/см3 превышает плотность стеклообразного диоксида кремния (2.20 г/см3), а основные характеристики атомной структуры напыленной плёнки, такие как радиальная функция распределения атомов, валентные углы и длины связей Si-O, близки к характеристикам высококачественного синтетического кварцевого стекла. Показано, что толщина переходного слоя подложка-пленка составляет 2 нм. Изучение динамики зависимости плотности от толщины пленки в процессе ее напыления показало, что изменение плотности возможно и в относительно глубоких слоях, отстоящих от формируемой поверхности на 10 нм. Используя полученные в работе данные о динамике плотности пленки, проведены расчеты динамики оптических свойств пленки при ее росте. | ||
| 2 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Высокопроизводительные технологии моделирования релаксационных процессов в наноструктурированных тонких пленках |
| Результаты этапа: Получена зависимость плотности пленки от ее толщины для значений энергии напыляемых атомов 0.1 эВ (низкоэнергетические методы напыления, electron beam evaporation и physical vapor deposition) и 10 эВ (высокоэнергетические методы напыления, ion beam sputtering). При увеличении энергии осаждаемых атомов кремния плотность пленки увеличивается в среднем на 0.1 г/см3, что соответствует экспериментальным данным. Толщина напыленных пленок достигала 10 нм, общее число атомов в кластере ~ 400000. Обнаружен и исследован эффект локального плавления (ЛП) – превышение локальной температуры над температурой плавления диоксида кремния в месте соударения высокоэнергетического атома кремния с пленкой. Обсуждается влияние ЛП на релаксацию пленки. Для расчета шероховатости пленки разработан и адаптирован для кластеров, содержащих ~ миллиона атомов, алгоритм поиска поверхностных атомов. Найдено, что шероховатость растет с увеличением числа напыленных атомов и достигает 0.7 нм при толщине пленки 20 нм и энергии напыляемых атомов кремния 10 эВ. Кратковременный отжиг пленки длительностью 1 нс в NVT ансамбле ( постоянные число частиц, обьем и температура) не влияет на величину шероховатости. Для молекулярно-динамического моделирования процесса напыления тонких пленок диоксида кремния разработано силовое поле DESIL_B с потенциалом Букингема для взаимодействия Ван-дер-Ваальса между атомами. DESIL_B хорошо воспроизводит структуру (длина связи, тетраэдры SiO4, плотность, положение первых пиков радиальной функции распределения) стеклообразного диоксида кремния. С использованием функциональности молекулярно-динамической программы LAMMPS разработан метод атомистического моделирования процесса напыления с непрерывным введением в область моделирования атомов кремния и кислорода (в методе, разработанном ранее в рамках программы GROMACS, в область моделирования вводились группы SiO2). Показана возможность моделирования процесса напыления тонкоплёночных покрытий с использованием графических процессоров GPU. Была исследована эффективность работы пакета LAMMPS и найдены оптимальные условия его применимости к решению исследуемого класса задач Разработано специализированное программное обеспечение, реализующее методы вычисления эллипсометрических углов, необходимые для анализа более тонких оптических эффектов, связанных со структурой напыляемых образцов – в частности, структуры переходных слоев, прилежащих к подложке и внешней среде (вакууму). | ||
| 3 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Высокопроизводительные технологии моделирования релаксационных процессов в наноструктурированных тонких пленках |
| Результаты этапа: 1.Зависимость шероховатости от толщины пленки, энергии напыляемых атомов, температуры подложки. Разработан оригинальный метод расчета шероховатости для кластеров с числом атомов до нескольких миллионов. Метод применен к напыленным пленкам диоксида кремния. Исследована зависимость шероховатости поверхности пленки Rh от ее толщины для различных значений температуры подложки T и энергии напыляемых атомов E [2-4]. До толщины пленки 20 нм шероховатость растет для всех значений T и E. Это обусловлено напылением на гладкую подложку с шероховатостью менее 0.1 нм, поэтому начальное значение Rh мало. Наибольшие значения шероховатости наблюдаются в случае высокоэнергетического напыления на холодную подложку при параметрах E = 10 эВ, T = 300 К. Величины шероховатости находятся в интервале экспериментально измеренных значений [5]. 2. Пространственные и временные характеристики эффекта локального плавления. Модель отжига, адаптированная к характерным временам молекулярно-динамического моделирования. Эффект локального плавления (ЛП), возникающий при напылении атомов кремния с энергией E = 10-100 эВ, способствует структурной релаксации напыляемой пленки. Формирование однородной и плотной пленки при использовании высокоэнергетических методов напыления может быть следствием эффекта ЛП. Согласно результатам моделирования, этот эффект не наблюдается при напылении низкоэнергетических атомов [6]. Разработана модель, позволяющая исследовать влияние отжига пленки на свойства напыленной пленки: плотность, концентрацию точечных дефектов, длину связи и валентные углы, распределение структурных колец по числу атомов в них, шероховатость и напряжения в пленке [7]. Получено, что концентрация дефектов и напряжения в пленке уменьшаются в результате отжига при температурах в интервале 900-1300 К. Плотность пленки также уменьшается среднем на 0.1 г/см3, что приводит к уменьшению показателя преломления пленки на 0.02. Эта величина соответствует экспериментально наблюдаемому уменьшению показателя преломления в результате отжига. Также получено, что толщина напыленного слоя пленки увеличивается на 2-3 нм (при толщине напыленной пленки 70 нм). . 3. Модель для расчета напряжений в пленке, полученной методами пошагового и непрерывного напыления, на основе информации, содержащейся в траектории молекулярно-динамического моделирования. Разработана модель расчета напряжений в напыленной пленке по результатам атомистического молекулярно-динамического моделирования [11]. Получено, что в случае высокоэнергетических методов напыления наблюдается напряжение сжатия (compressive stress), величины напряжений соответствуют экспериментальным данным. С ростом толщины пленки наблюдается уменьшение абсолютной величины напряжений. Абсолютная величина напряжений в пленке, полученной напылением атомов кремния с энергией 1 эВ, меньше, чем при напылении атомов с энергией 10 эВ. С увеличением температуры подложки абсолютная величина напряжений в пленке падает. 4. Модель напыления пленок диоксида кремния нестехиометрического состава и пленок с чередующимися слоями диоксид кремния/кремний. Выбрана функциональная форма и схема параметризации силового поля DESIL_SI, предназначенного для писания межатомных взаимодействий в пленках, состоящих из чередующихся слоев кремния и диоксида кремния. Особое внимание уделено описанию формирования химических связей в переходных областях между слоями с различным элементным составом. Показано, что численная эффективность силового поля DESIL_SI близка к численной эффективности силового поля DESIL, что позволит моделировать процесс напыления кластеров, состоящих из миллионов атомов и имеющих толщину порядка 100 нм. 5. Молекулярное моделирование с использованием программного пакета LAMMPS. Проведено суперкомпьютерное моделирование различных кристаллических модификаций и аморфной фазы диоксида циркония с помощью силовых полей ReaxFF. Для полученных структур исследованы плотность и радиальные функции распределения, позволяющие сделать вывод об адекватности использованных силовых полей для определения структуры фазовых состояний диоксида циркония. Разработан сценарий (входной пакет) LAMMPS для процедуры напыления атомов на подложку. Исследованы свойства структур ZrO2, полученных при различных температурах моделирования. 6. Динамика оптических характеристик напыленных пленок при проведении процедуры отжига. Предсказанное суперкомпьютерным моделированием превышение показателя преломления пленки SiO2 над показателем преломления кварцевого стекла подтверждено экспериментально для пленок, полученных методом реактивного ионно-лучевого распыления с ионным ассистированием. В рамках сдвиговой модели показателя преломления получено совпадение рассчитанного и экспериментально определенного показателя преломления для напыленных пленок. Проведено исследование зависимости показателя преломления от параметров отжига. Получено, что отжиг при температуре 500 К слабо влияет на величину показателя преломления, в то время как высокотемпературный отжиг (900-1300) К приводит к уменьшению показателя преломления на величину до 0.03. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".