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adf:cvd [2023/10/06 00:18] – [CVD模拟的参数设置] liu.junadf:cvd [2024/02/26 16:51] (当前版本) – liu.jun
行 1: 行 1:
-======ReaxFF-Ge(001)上的氧化铝薄膜 CVD 形成模拟======+======ReaxFF-Ge(001)上的氧化铝薄膜的化学气相沉积模拟======
 =====化学气相沉积===== =====化学气相沉积=====
-从模拟的角度来看，化学气相沉积 (CVD) 或原子层沉积 (ALD) 与涉及表面与其上方气相物质相互作用的其他过程类似。典型“表面-气相”相互作用，还包括物理气相沉积（PVD）、固-气相非均相催化以及等离子体-表面反应等。因此，原则上可以使用类似于下面介绍的 CVD 示例应用的设置来研究所有这些过程。+从模拟的角度来看，化学气相沉积 (CVD) 或原子层沉积 (ALD) ，与涉及表面及其上方气相物质相互作用的其他过程类似。典型“表面-气相”相互作用，还包括物理气相沉积（PVD）、固-气相非均相催化以及等离子体-表面反应等。因此，原则上可以使用类似于下面介绍的 CVD 示例应用的设置来研究所有这些过程。
  
 由于以下原因，模拟“表面-气相”相互作用通常涉及相当大的计算: 由于以下原因，模拟“表面-气相”相互作用通常涉及相当大的计算:
行 16: 行 16:
 表面模型的局部温度可能会因粒子通量过强，或某些加速方法而显著升高。因此，需要监测模拟的温度峰值，出现异常时需要调整，以避免不切实际的副反应。 表面模型的局部温度可能会因粒子通量过强，或某些加速方法而显著升高。因此，需要监测模拟的温度峰值，出现异常时需要调整，以避免不切实际的副反应。
 ====参数准确性与体系的演化==== ====参数准确性与体系的演化====
-模型的合理性，对体系的演化至关重要。虽然此类长时间模拟的模型描述，仅限于经验力场或机器学习势，但建议在开始任何实际模拟之前，针对相关反应步骤涉及的力场参数实际上需要考虑是否适合用于CVD模型。虽然下面讨论的示例使用现成的 ReaxFF 力场参数来模拟现实的化学过程，但一般情况下不能如此现成。尤其是反应势垒高度的相对差异会影响模拟过程中发生的化学过程，随之显著改变体系演化的情况。因此，用户有责任使用经过充分验证的模型参数来进行这类模拟。+模型的合理性，对体系的演化至关重要。虽然此类长时间模拟的模型描述，仅限于经验力场或机器学习势，但建议在开始任何实际模拟之前，针对相关反应步骤涉及的力场参数实际上需要考虑是否适合用于 CVD 模型。虽然下面讨论的示例使用现成的 ReaxFF 力场参数来模拟现实的化学过程，但一般情况下不能如此现成。尤其是反应势垒高度的相对差异会影响模拟过程中发生的化学过程，随之显著改变体系演化的情况。因此，用户有责任使用经过充分验证的模型参数来进行这类模拟。
  
 =====1，模型简介===== =====1，模型简介=====
行 30: 行 30:
 在“衬底”上方可以适当增加一个区域，设定为 NVT 系综，从而可以起到散热器的作用。 在“衬底”上方可以适当增加一个区域，设定为 NVT 系综，从而可以起到散热器的作用。
 ====分子枪==== ====分子枪====
-粒子从表面上方几纳米的区域内的随机位置入射，并且速度矢量指向下方。+粒子从表面上方几纳米的区域内的随机位置入射，并且设定速度矢量指向下方。
 ====粒子平移==== ====粒子平移====
 为了节省粒子飞行期间的模拟步骤，粒子被平移到其飞行路径中的第一个撞击点附近，然后将其实际放置到该撞击点附近的模拟Box中。 为了节省粒子飞行期间的模拟步骤，粒子被平移到其飞行路径中的第一个撞击点附近，然后将其实际放置到该撞击点附近的模拟Box中。
行 45: 行 45:
 {{ :adf:cvd001.png?650 }} {{ :adf:cvd001.png?650 }}
  
-将最底层2层 Ge原子创建为 region，名为 Fixed，次2层创建 Region 名为 Thermo，即 Fixed 这些原子将会被固定，而 Thermo 原子将会作为冷却器存在。（创建 Region 操作如果不熟悉，参考：[[adf:creatregion]]）+将最底层2层 Ge原子创建为 Region，名为 Fixed，次2层创建 Region 名为 Thermo，即 Fixed 这些原子将会被固定，而 Thermo 原子将会作为冷却器存在。（创建 Region 操作如果不熟悉，参考：[[adf:creatregion]]）
  
 {{ :adf:cvd002.png?650 }} {{ :adf:cvd002.png?650 }}
行 61: 行 61:
 {{ :adf:cvd005.png?350 }} {{ :adf:cvd005.png?350 }}
  
-只对Thermo这个区域设置NVT系综（不同系综的设置参考：[[adf:nvtnptnve]]）+只对 Thermo 这个区域设置 NVT 系综（不同系综的设置参考：[[adf:nvtnptnve]]）
  
 {{ :adf:cvd006.png?350 }} {{ :adf:cvd006.png?350 }}
  
-如此，整个体系将会被Thermo区域保温为接近500K。因为后面正式模拟会采用 fbMC，因此弛豫过程中，我们也同样采用 fbMC（fbMC的参数含义、fbMC本身的物理意义，请参考：[[adf:fbmc2020]]）：+如此，整个体系将会被 Thermo 区域保温为接近 500K。因为后面正式模拟会采用 fbMC，因此弛豫过程中，我们也同样采用 fbMC（fbMC 的参数含义、fbMC 本身的物理意义，请参考：[[adf:fbmc2020]]）：
  
 {{ :adf:cvd007.png?350 }} {{ :adf:cvd007.png?350 }}
  
-我们特意在 fbMC 阶段使用比恒温器稍低的温度（450 vs 500 K），以避免模拟过程中温度峰值过高。这种选择是合理的，因为我们对系统的化学演化感兴趣。此外，由于撞击粒子流增加了系统的能量，因此在这种情况下保持温度稳定比精确的热力学采样更重要。在其他应用中，fbMC温度和fbMC步长对实际观测到的温度的影响需要用户验证。+我们特意在 fbMC 阶段使用比恒温器稍低的温度（450 vs 500 K），以避免模拟过程中温度峰值过高。这种选择是合理的，因为我们对系统的化学演化感兴趣。此外，由于撞击粒子流增加了系统的能量，因此在这种情况下保持温度稳定比精确的热力学采样更重要。在其他应用中，fbMC 温度和 fbMC 步长对实际观测到的温度的影响需要用户验证。
  
 保存并运行作业。并注意检查弛豫的结果是否符合要求（参考：[[adf:relaxationbeforemd]]） 保存并运行作业。并注意检查弛豫的结果是否符合要求（参考：[[adf:relaxationbeforemd]]）
行 83: 行 83:
 点击Yes, new job，**另存一个作业，避免覆盖前面弛豫的作业**。 点击Yes, new job，**另存一个作业，避免覆盖前面弛豫的作业**。
  
-====CVD模拟的参数设置====+====CVD 模拟的参数设置====
 首先调整 MD 和 fbMC 的设置： 首先调整 MD 和 fbMC 的设置：
   * Models → MD → Number of steps: 15000000   * Models → MD → Number of steps: 15000000
行 91: 行 91:
 在现有模型上空创建需要入射的分子，这里是[[adf:O2formolgun|O$_2$链接（点击）]]和[[adf:AlH3formolgun|AlH$_3$链接（点击）]]，或直接导入也可（类似前面，复制坐标，在AMSinput窗口直接粘贴）。如果粘贴之后与表面重叠，建议将其用鼠标右键拖出来。 在现有模型上空创建需要入射的分子，这里是[[adf:O2formolgun|O$_2$链接（点击）]]和[[adf:AlH3formolgun|AlH$_3$链接（点击）]]，或直接导入也可（类似前面，复制坐标，在AMSinput窗口直接粘贴）。如果粘贴之后与表面重叠，建议将其用鼠标右键拖出来。
  
-Model → region分别为O2和AlH3创建Region：+Model → region 分别为 O2 和 AlH3 创建 Region：
  
 {{ adf:cvd009.png?650 }} {{ adf:cvd009.png?650 }}
  
-Model → Molecule Gun 入射设置（点击两次+，分别设置AlH$_3$、O$_2$的入射参数）如下：+Model → Molecule Gun 入射设置（点击两次+，分别设置 AlH$_3$、O$_2$ 的入射参数）如下：
  
 {{ adf:cvd010.png?450 }} {{ adf:cvd010.png?450 }}
行 104: 行 104:
   * Start step：开始入射，注意与前面fbMC设置的7000保持一致   * Start step：开始入射，注意与前面fbMC设置的7000保持一致
   * Stop step：即停止入射的步数，总步数150万，125万步的时候停止入射，后面25万步退火、充分扩撒、二次反应、演化等   * Stop step：即停止入射的步数，总步数150万，125万步的时候停止入射，后面25万步退火、充分扩撒、二次反应、演化等
-  * Fractional coords box：入射分子初始随机出现的范围，图中设置表示X、Y坐标随机，Z则在Cell之外45-49倍C的区域。+  * Coords sigma：以入射分子/原子的那个region中各个原子的坐标为参考，随机入射的分子/原子的坐标的分布情况，三个量分别代表X、Y、Z的分布变化范围，例如，如果z值为0则表示入射原子的高度与固定为region中的高度一致 
 +  * Fractional coords box：入射分子初始随机出现的范围，图中设置表示X、Y坐标随机，Z则在Cell之外45-49倍C长度的区域。
   * Rotate：允许转动   * Rotate：允许转动
   * Velocity direction：选中两个原子，点击加号，则入射方向为第一个原子指向第二个原子，也可以创建虚原子来指定方向。如果不指定，则方向完全随机   * Velocity direction：选中两个原子，点击加号，则入射方向为第一个原子指向第二个原子，也可以创建虚原子来指定方向。如果不指定，则方向完全随机
行 117: 行 118:
 表示任意粒子，只要跑出z方向±150 C尺寸的范围，即从体系中移除。 表示任意粒子，只要跑出z方向±150 C尺寸的范围，即从体系中移除。
  
-值得注意的是，系综的设置，我们仍然保留了前面弛豫过程的设置，即只是Thermo设置了温度，其他区域的原子则由于有了初始的运动速度、能量等数据，自由演变即可，底部Thermo仍然充当了冷却装置的角色。+值得注意的是，系综的设置，我们仍然保留了前面弛豫过程的设置，即只是Thermo设置了温度，其他区域的原子则由于有了初始的运动速度、能量等数据，自由演变即可，底部Thermo仍然充当了冷却装置的角色，将体系向500K方向冷却。
  
-保存作业（{{:adf:ge200o25_o2_alh3_fbmccvd.rar|作业的*.ams文件以及生成的轨迹文件下载}}）+保存作业并运行（{{:adf:ge200o25_o2_alh3_fbmccvd.rar|作业的*.ams文件以及生成的轨迹文件下载}}） 
 + 
 +=====5，结果：Ge(001) 上的氧化铝薄膜===== 
 +经过仿真，我们得到如下图所示的模型结构。原始表面被非晶界面层覆盖，随后是一层厚而松散的氧化铝膜，膜表面有许多吸附的水分子和羟基以及一些化学吸附的铝络合物部分。 
 + 
 +{{ :adf:cvd012.png?400 }} 
 + 
 +我们通过从结果中观察到的几点来结束本教程： 
 + 
 +====沉积过程==== 
 +在 CVD 模拟过程中，可以观察到入射粒子出现在表面上方，被吸收后发生反应或脱附，或者立即被反射。平均而言，更多的入射粒子最终会结合到表面，从而形成随着时间的推移而生长的非晶态氧化铝薄膜。 
 + 
 +====能量和温度==== 
 +随着更多化学键的形成，系统的总能量不断降低。在模拟开始时，我们观察到强烈的温度波动，随着时间的推移逐渐减小。这个观察结果模型很小导致的必然结果，体系的温度很容易受到撞击粒子的影响。 
 + 
 +====型号尺寸==== 
 +由于本教程包含冗长的计算，我们选择减小模型大小。在实际的计算研究中，使用更厚、更大的Slab模型可能更合适。 
 + 
 +====氧化铝膜==== 
 +根据精确的模拟条件（温度、粒子通量、粒子动能等），会出现具有不同属性的薄膜。例如，提高温度通常会降低膜中的水含量，同时增加其密度。颗粒通量的摩尔分数也会影响沉积膜。为了获得干净的氧化铝薄膜，建议在沉积过程中使用过量的氧气。 
 + 
 +====Ge(001)表面和界面==== 
 +我们通常观察到锗表面保持完整，没有任何原子解吸。锗层和氧化铝层之间的界面由GeAl合金层形成，该合金层又源自AlH$_3$颗粒和清洁表面之间的相互作用。随着氧化的增加，沉积的薄膜分离成基本纯净的氧化铝薄膜和GeAl合金界面层。根据具体条件，在相分离过程中还可以观察到小的合金簇在薄膜顶部移动。
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