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:
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".