Суперкомпьютерное моделирование свойств материалов тонких пленок для оптических и лазерных технологийНИР

High-performance simulation of material properties of thin films for optical and laser technologies

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 23 апреля 2019 г.-31 декабря 2019 г. Суперкомпьютерное моделирование свойств материалов тонких пленок для оптических и лазерных технологий
Результаты этапа: Коэффициенты отражения и пропускания в заданном диапазоне длин волн являются важнейшими характеристиками многослойных оптических покрытий. Для достижения необходимых величин этих коэффициентов покрытия конструируют из плоскопараллельных слоев с чередующимися значениями показателя преломления. Один из способов получения таких слоев - вариация плотности напыляемых пленок. Напыление потоком осаждаемых атомов, направленных к подложке под большим углом между скоростью и нормалью к поверхности (GLAD-напыление), формирует высокопористые пленки с низким показателем преломления. Напротив, нормальное напыление образует плотные пленки с высоким показателем преломления. Таким образом, чередуя GLAD-напыление и нормальное напыление, можно получить многослойное покрытие, используя один тонкопленочный материал. В рамках проекта проведено моделирование процесса напыления чередующихся слоев тонких пленок диоксида кремния, а также рассчитаны структурные параметры растущей пленки. Максимальные размеры напыленных кластеров близки к технологическим - порядка четверти длины волны видимого света в материале. Исследовано влияния отжига на структурные свойства напыленной пленки. Рассчитан показатель преломления пленки на основе корреляций между плотностью и показателем преломления. Исследована структура пленки диоксида кремния, полученной чередованием GLAD-напыления (угол между нормалью к поверхности подложки и потоком осаждаемых атомов α = 80 град.) и нормального напылении (α = 0 град.). Плотность пленки в режиме GLAD-напыления приблизительно вдвое меньше плотности пленки при нормальном напылении. Толщина переходного слоя между областями с высокой и низкой плотностями составляет порядка 10 нм. В результате отжига концентрация основных точечных дефектов существенно уменьшается во всех слоях пленки, причем концентрация немостиковых атомов кислорода падает сильнее, чем концентрация трехкоординированных атомов кремния. В то же время угол Si-O-Si, определяющий взаимную ориентацию структурных тетраэдров, практически не меняется при отжиге. Отжиг уменьшает показатель преломления плотного слоя больше, чем слоев с низкой плотностью. На основе корреляций между плотностью и показателем преломления n получено, что величина n варьируется от 1.3 до 1.49, достигая минимального значения в слоях с максимальной пористостью (GLAD-напыление). Напряжения, возникающие в оптических покрытиях из-за разности структурных и механических свойств пленок и подложки, могут приводить к искажению поверхности покрытия и таким образом сужать область технологического применения покрытия. Нами проведено моделирование зависимости напряжений в пленках от параметров напыления. Получено, что знак диагональных компонентов тензора напряжений отрицательный (сжимающее напряжение, compressive stress). Толщина переходного слоя между подложкой и пленкой составляет около 10 нм для случая нормального осаждения. Для всех значений углов осаждения начальная стадия роста пленки сопровождается резким увеличением абсолютных значений компонентов тензора напряжения. Когда толщина пленки превышает 10 нм, зависимости напряжения от толщины существенно меняется с изменением угла осаждения. При нормальном осаждении абсолютные значения компонентов тензора напряжения несколько уменьшаются с ростом H, а эффекты анизотропии невелики. Напротив, в GLAD-пленках при угле осаждения 60 град, 70 град напряжения существенно уменьшаются с ростом толщины пленки, а разница диагональных компонент растет, что указывает на появляющуюся анизотропию механических свойств пленок. Показано, что показатель преломления пленок диоксида кремния уменьшается с ростом угла осаждения, что коррелирует с уменьшением абсолютных значений компонентов тензора напряжений. Пленки с низким показателем преломления n = 1,32 (α = 70 град) характеризуются также низкими значениями обеих составляющих тензора напряжений. Найденные значения показателя преломления при больших углах осаждения находятся в интервале экспериментальных результатов для SiO2 GLAD-пленок. Разработана модель напыления пленок методом GLAD с вращением подложки и альтернированием угла осаждения, что позволяет получать анизотропные структуры с высокой пористостью и низким показателем преломления. Получены зависимости структурных параметров пленки, напыленных при больших и малых (относительно скорости роста пленки) скоростях вращения подложки а также чередовании угла напыления. Продемонстрирован рост вертикальных древовидных столбцов и зигзагообразных регулярных структур при быстром и медленном чередовании угла осаждения соответственно. Из-за высокой пористости плотность напыленных пленок диоксида кремния снижается до 1,3 - 1,4 г/куб.см, что сопровождается уменьшением показателя преломления до 1,3, что согласуется с известными экспериментальными данными. В случае медленного непрерывного вращения подложки продемонстрировано формирование спиральной структуры.
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Суперкомпьютерное моделирование свойств материалов тонких пленок для оптических и лазерных технологий
Результаты этапа: Проведено крупномасштабное классическое атомистическое молекулярно-динамическое моделирование процесса осаждения тонких пленок диоксида титана. Использование высокопроизводительных расчетов позволило увеличить толщину моделируемых кластеров до 40 нм. Путем сравнения рассчитанных и экспериментальных структурных параметров подложки из аморфного титана показано, что моделирование осаждения тонких пленок может быть проведено с использованием парного двухчастичного потенциала. Для пленок, полученных нормальным осаждением, рассчитаны профили плотности, шероховатость поверхности и пористость. Найдено, что при высокоэнергетическом напылении в кластерах пленок отсутствуют поры, способные поглощать молекулы воды. В пленках, полученных низкоэнергетическим осаждением, объемная доля пор, способных поглотить молекулы воды, достигает 4 ÷ 7% и уменьшается с ростом температуры подложки. Формирование отдельных наноструктур разного типа продемонстрировано в случае высокоэнергетического напыления под углом между потоком атомов и нормалью к поверхности в интервале от 50 до 70 градусов (glancing angle deposition, GLAD). Структурные параметры анизотропных пор в GLAD-пленках диоксида титана рассчитаны с использованием оригинального подхода, основанного на методе Монте-Карло. В приближении эффективной анизотропной среды рассчитана разность диагональных компонентов дельта n тензора показателя преломления. Расчетные значения диагональных компонент тензора показателя преломления лучше согласуются с экспериментальными данными для малых углов осаждения, чем для больших. Проведено комбинированное моделирование оптической анизотропии тонких пленок пористого диоксида кремния. Атомистические кластеры, представляющие структуру пленок, получены с использованием атомистического молекулярно-динамического моделирования процесса осаждения. Поры в структуре пленок аппроксимируются набором эллипсоидов, имеющих одинаковые параметры формы и одинаковую ориентацию. Рассчитана разность диагональных компонентов тензора показателя преломления пленок, полученных высокоэнергетическим осаждением. Углы напыления варьируются от 0 ° до 80 °. Пленка, полученная нормальным осаждением, рассматривается как однородная структура без пор. Увеличение угла напыления приводит к уменьшению плотности пленки из-за образования пор. Получено, что максимальное значение разности диагональных компонентов тензора показателя преломления в пленках диоксида кремния составила ∆n = 0,035. Разработанный метод комбинированного моделирования анизотропных свойств атомистических кластеров может быть применен к другим оксидным пленкам. Проведено моделирование распределения напряжений по толщине тонких пленок диоксида кремния. Атомистический кластер, представляющий пленку, напылялся на подложку из стеклообразного диоксида кремния с использованием атомистического молекулярно-динамического моделирования. Угол напыления равнялся 80°, что обуславливает формирование высокопористой анизотропной пленки с низким показателем преломления. Метод расчета распределения напряжений основан на интегральной зависимости между усредненным по толщине напряжением и распределением напряжений. Показано, что в переходном слое между подложкой и пленкой функция распределения напряжений соответствует напряжению сжатия. С увеличением толщины пленки функция распределения напряжений меняет знак и становится растягивающей. Полученные результаты соответствуют экспериментальным данным. Создана суперкомпьютерная технология для моделирования получения аморфных состояний диоксидов кремния, гафния и циркония с помощью квантовой молекулярной динамики. Проведены исследования параметров, размеров системы, режимов работы квантовой молекулярно-динамической программы VASP. Выбраны оптимальные параметры моделирования. Показано, что имеющиеся мощности суперкомпьютера МГУ Ломоносов-2 позволяют проводить моделирование образования аморфного состояния в существенно нестационарных условиях – путем быстрого расплавления кристалла в течении нескольких пикосекунд, стабилизации расплава в течении нескольких пикосекунд и последующего быстрого охлаждения (закалки) расплава до комнатной температуры. Такая модель описывает быстрые процессы локального плавления-закалки в месте удара высокоэнергетических атомов, имеющие место при напылении оптических покрытий. Кроме того, следует ожидать наличия аналогичных процессов и при воздействии мощного лазерного излучения пико- и фемто-секундного диапазонов. Полученные результаты открывают широкие возможности моделирования аморфных состояний твердых тел, полученных в существенно нестационарных условиях. Результаты моделирования указывают на образование аморфных состояний диоксида кремния двух типов. Первый тип, g-SiO2 (аббревиатура «g» от glass), похож на идеальное кварцевое стекло и получается из низкотемпературных расплавов, стабилизированных при 3000К и 4000К. Окно пропускания практически совпадает с окном пропускания бездефектного кварцевого стекла, и такие покрытия должны обладать высокой лучевой прочностью. Второй тип аморфных состояний, q-SiO2 (аббревиатура «q» от quench), имеет сильно неупорядоченную структуру сетки атомов из связанных между собой вершинами SiO4-тетраэдров, в которой присутствует большое количество точечных дефектов и большое разнообразие колец с разным числом SiO4-тетраэдров. Этот тип аморфных состояний получается при закалке высокотемпературных расплавов 5000К и 6000К. В запрещенной зоне появляются пики плотности состояний из-за наличия точечных дефектов, соответствующие полосы поглощения в окне прозрачности диоксида кремния, и такие покрытия должны обладать низкой лучевой прочностью. В аморфных состояниях второго типа обнаружен новый собственный дефект диоксида кремния – два соседних SiO4-тетраэдра связаны друг с другом двумя мостиковыми атомами кислорода. Подтверждено также наличие многих точечных дефектов атомарной структуры, но не обнаружены такие хорошо известные в спектроскопии кварцевого стекла и кварцевых волоконных световодов структуры, как кислородно-дефицитные центры окраски: вакансии кислорода и двухкоординированные атомы кремния.
3 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Суперкомпьютерное моделирование свойств материалов тонких пленок для оптических и лазерных технологий
Результаты этапа:

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".