|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
Высокопроизводительные технологии моделирования релаксационных процессов в наноструктурированных тонких пленкахНИР
High performance technologies for modeling of relaxation processes in nano-structured thin films
- Руководитель НИР: Тихонравов А.В.
- Ответственные исполнители: Григорьев Ф.В., Кочиков И.В., Шарапова С.А.
- Участники НИР: Григорьев Ф.В., Ильин И.С., Ильин И.С., Исаев Т.Ф., Кондакова О.А., Лагутина А.А., Лукьяненко Д.В., Смирнова Е.Н., Смирнова М.А., Смирнова М.А., Смирнова М., Сулимов В.Б.
- Подразделение: 4.14.Лаборатория вычислительного эксперимента и моделирования
- Срок исполнения: 4 мая 2017 г. - 31 декабря 2018 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 14-11-00409
- Номер ЦИТИС: АААА-А17-117082440012-2
- 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
mоlecular dynamic method, nanostructures, relaxation processes, high performance computations -
Описание:
В рамках проекта предлагается разработка микроскопической модели, позволяющей исследовать влияние технологических параметров процесса напыления тонких оптических покрытий на их структурные, механические и оптические свойства. Модель основана на методе классической молекулярной динамики (МД), в рамках которого атомы рассматриваются как взаимодействующие по классическим законам силовые центры, движение которых подчиняется законам Ньютона. Разработанная ранее в рамках Проекта 2014 года (№ 14-11-00409) модель позволяет рассчитывать влияние ряда технологических параметров высокоэнергетических методов напыления (ion beam sputtering) на свойства пленок. В проекте 2017 предлагается обобщить разработанную модель на другие перспективные методы напыления, в частности, напыление с ионным ассистированием, позволяющим получать более однородные по толщине пленки. В разрабатываемой модели будет предусмотрена возможность напыления на подложки с различной ориентацией кристаллографических плоскостей, различными значениями плотности потока осаждаемых атомов и ассистирующих ионов, различным угловым распределением скоростей осаждаемых атомов и др. Предусматривается возможность расчета следующих структурных параметров, влияющих на их технологические свойства: плотность пленки, концентрация точечных дефектов, средние межатомные расстояния и валентные углы, и др. Предусмотрен расчет механических свойств: модулей Юнга и всестороннего сжатия, коэффициента Пуассона, коэффициента термического расширения, механических напряжений в пленках. Актуальность проекта обусловлена постоянно расширяющимся применением суперкомпьютерных вычислений для моделирования реальных технологических процессов. Разрабатываемая модель нацелена на совершенствование экспериментальных методов изготовления тонких оптических покрытий, позволяет прогнозировать последствия изменений технологический условий их изготовления на свойства покрытий. Впервые будет создана микроскопическая модель, позволяющая исследовать влияние параметров напыления на широкий набор структурных, оптических и механических свойств тонких пленок. Впервые свойства пленок будут вычислены для атомистических кластеров технологических размеров – до 100 нм. Рекордные размеры кластеров достигаются за счет использования технологии суперкомпьютерного моделирования с количеством вычислительных узлов до нескольких тысяч.
-
Abstract:
The microscopic model allowing to investigate influence of the technological parameters of the deposition process on structural, optical and mechanical properties of the deposited thin film will be developed. The model is based on the classical molecular dynamic (MD) method considering atoms as force centers moving according to Newton’s laws. The model, developed earlier in the frame of the 2014 Project (N 14-11-00409), allows one to simulate the influence of the technological parameters of the high-energy deposition processes (ion beam sputtering, IBS) on thin film properties. In the frame of 2017 Project this model will be modified to include other perspective deposition techniques such as ion beam assisted deposition (IBAD). This method allows to fabricated uniform in view of the density and refractive index optical coatings. The modified model will includes variations of the orientations of substrate crystallographic planes, density of the deposited atoms and assisting ions flow, angular distribution of the deposited atoms velocities and so on. The next thin film structural and mechanical parameters can be calculated: dependence of the film density on film thickness, density profiles, point defects concentration, averaged values of the chemical bond lengths and valence angles, rings distribution functions, radial distribution function, Young’s modulus, Poisson coefficient, coefficient of the thermal expansion, components of the stress tensor. The development of the deposition process modeling is directed to improving of the thin film fabrication technology. For the first time the atomistic model allowing calculation of the structural, optical and mechanical properties of the deposited films will be created. Model is based on the results of the simulation of the clusters having technological size ~ 100 nm. The increasing of the clusters size is based on the using of the technologies of the parallel computations on supercomputers having at least several thousand computational cores. For the first time in the frame of the unified approach the dependence of the thin film properties on the technological parameters of the deposition process will be investigated.
-
Планируемые результаты:
В результате выполнения проекта будут получены зависимости характеристик пленок от технологических параметров процесса высокоэнергетического напыления, в том числе: ориентация кристаллографических плоскостей подложки относительно направления роста пленки, плотность и ориентация потока высокоэнергетических атомов кислорода, окисляющих атомы кремния на поверхности растущей пленки и др. К характеристикам пленки относятся плотность, концентрация дефектов, относительная концентрация колец с различным числом атомов, поверхностная шероховатость, положения и относительная высота пиков радиальной функции распределения, длины связи, величины валентных углов, компоненты тензора напряжений, возникающих при напылении пленки, показатель преломления. Будет разработана модель, позволяющая рассчитывать характеристики напыленных пленок, важные с точки зрения их технического использования: модуль Юнга, коэффициент всестороннего сжатия, коэффициент Пуассона, коэффициент термического расширения. Будут получены зависимости перечисленных характеристик от технологических условий процесса напыления: температуры подложки, распределения напыляемых атомов по энергии, распределения скоростей атомов по углу, отсчитанному от направления роста пленки. Предполагается обобщить созданные модели на пленки с произвольным элементным составом с помощью перехода к квантовому уровню моделирования. Так как квантовые вычисления возможны только для систем с характерным размером не более нанометра, предполагается разработать подходы для масштабирования результатов квантовых расчетов на кластеры технологического размера, не менее 100 нм. Будет разработана модель процесса напыления тонких оптических покрытий с ионным ассистированием, учитывающая влияние на свойства пленок технологических параметров, в том числе: доза ионного ассистирования, плотность тока ионов ассистирования, угловое распределение их скоростей, распределение по энергии ионов ассистирования, плотность потока осаждаемых атомов, угловое распределение их скоростей, распределение по энергии осаждаемых атомов, давление кислорода в вакуумной установке, температура подложки, скорость роста пленки. Будет получена зависимость характеристик пленки от этих технологических параметров. Предполагается обобщить созданные модели на пленки с произвольным элементным составом с помощью перехода к квантовому уровню моделирования. Так как квантовые вычисления возможны только для систем с характерным размером не более нанометра, предполагается разработать подходы для масштабирования результатов квантовых расчетов. Впервые будет проведено атомистического моделирование процесса напыления на кластерах технологических размеров порядка 100 нм, что обусловлено использованием технологий суперкомпьютерного моделирования с количеством вычислительных ядер до нескольких тысяч. Впервые в рамках единой модели будут определены зависимости структурных, оптических и механических характеристик пленок от технологических параметров. Результаты проекта нацелены на совершенствование технологий напыления тонких оптических покрытий, могут быть использованы для разработки технологий получения покрытий с заданными свойствами. Возможная замена экспериментов моделированием приведет к удешевлению разработки новых оптических покрытий, повышению безопасности производства, снижению продолжительности цикла разработки новых материалов.
-
Научный задел:
Достижимость запланированных результатов обусловлена: 1 Достигнутым в рамках Проекта 2014 года уровнем научных результатов. Создана микроскопическая модель процесса напыления тонких оптических покрытий. Впервые проведено атомистическое моделирование напыления кластеров, имеющих технологические размеры до 100 нм. Разработана модель расчета структурных параметров пленки, напряжений в пленке. Изучено влияние отжига на структурные и оптические свойства пленок. 2 Наличием необходимой материально-технической базы для моделирования атомистических кластеров рекордных размеров – вплоть до 100 нм, включая программные комплексы молекулярного моделирования, установленные на суперкомпьютере «Ломоносов». 3 Наличием у группы заявителей проекта опыта атомистического моделирования методами различного уровня, как классического, так и квантового.
-
Основные результаты:
Dependencies of deposited thin films properties on the following technological parameters will be investigated: orientation of the crystallographic planes of the silicon dioxide substrate relative to the film growth direction, density and orientation of the flow of the high-energy oxygen atoms oxidizing of the silicon atoms on the surface of the film. For the deposition process which is organized as a sequence of the same cycles the following parameters are related to the technological ones: duration of time interval between two cycles, duration of one cycle, number of cycles. The following thin films properties will be investigated: density, concentration of the point defects, rings distribution function, length of the chemical bonds, valence angles, surface roughness, calculation of the refractive index, stress tensor. Model for the calculation of the Young's modulus, coefficient of the thermal expansion, bulk modulus, Poisson's ratio will be elaborated. Model is based on the results of the atomistic simulation of the deposition process. Dependence of the thin films properties on the substrate temperature, energy distribution of the deposited atoms and angular distribution of their velocities will be investigated. Model of ion beam assisted deposition (IBAD) will be elaborated. The model allows take into account the following technological parameters of IBAD: dose of the ion assistance, density of the assisting ions flow, angular distribution of their velocities, energy distribution of the assisting ions, density of the deposited atoms flow, oxygen pressure in vacuum chamber, substrate temperature, rate of the film growth. The force field for the description of the interaction of the assisting ions with deposited atoms and atoms relating to film and substrate will be chosen. The dependence of the thin films properties on the technological parameters of the IBAD method will be investigated. Generalized quantum model allowing simulation of the deposition process of the arbitrary films will be elaborated including the approach allowing scaling the results of the quantum simulation of the clusters with size ~ 1 nm to films of the technological sizes. The deposition process model is aimed to improving thin film fabrication technology, reducing time of the elaboration of the new types of the optical coatings, reducing the cost of thin films fabrication.
- Добавил в систему: Шарапова Светлана Анатольевна
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 4 мая 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Высокопроизводительные технологии моделирования релаксационных процессов в наноструктурированных тонких пленках |
| Результаты этапа: Разработан метод анализа пористости атомистических кластеров по координатам атомов и их радиусам Ван-дер-Ваальса. Метод может быть примерен к кластерам тонких пленок технологических размеров, до 100 нм. Объем каждой поры оценивается снизу как объем шара максимального радиуса R, вписанного в пору. Для расчета распределения пор по радиусам используется эмпирический алгоритм, основанный на методе Монте-Карло. Алгоритм применен к пленкам диоксида кремния, полученным в результате суперкомпьютерного моделирования процесса как высокоэнергетического (ion beam sputtering), так и низкоэнергетического напыления. По полученному распределению пор по радиусам оценена концентрация пор, способных вместить молекулы воды, водорода, кислорода, азота, аргона и близкие им по размеру малые молекулы. Получено, что при увеличении энергии осаждаемых атомов кремния концентрация пор и их размеры уменьшаются, а форма пор становится ближе к сферической. Этот результат согласуется с тем, что увеличение энергии осаждаемых атомов приводит к увеличению плотности растущей пленки. Предложен метод визуализации наноразмерных пор в атомистической структуре кластеров тонких пленок, полученных молекулярно-динамическим моделированием процесса напыления. Визуализация выполнена с использованием программы Visual Molecular Dynamics с помощью построения поверхности постоянной плотности. Результаты визуального анализа наглядно демонстрируют, что при низкой энергии напыляемых атомов концентрация пор в растущей пленке существенно выше, чем при использовании высокоэнергетических методов напыления. Разработаны два метода оценки потерь механической энергии, возникающих при прикладывании и последующем снятии внешнего воздействия на материал. Оба метода основаны на молекулярно-динамическом (МД) классическом моделировании. В первом методе рассчитывается обратная добротность в соответствии с определением, во втором рассчитывается фурье-образ обратной добротности на частоте, соответствующей обратному времени механических релаксационных процессов в материале. В силу малости потерь относительно совершаемой над системой работой, требуется усреднение по большому числу МД траекторий, чтобы выделить рассчитываемый эффект на фоне термодинамических флуктуаций. Оба метода применены к расчету потерь в стеклообразном диоксиде кремния. Первым методом получена оценка сверху для обратной добротности 0.0001, что находится в интервале экспериментальных значений, для второго метода величина фурье-образа обратной добротности оценена в 0.01. Рассчитаны диагональные компоненты тензора напряжений для пленки, полученной низкоэнергетическим напылением с энергией осаждаемых атомов кремния 0.1 эВ. Получено, что во всех случаях абсолютные величины компонентов тензора напряжений при энергии осаждаемых атомов кремния E = 0.1 эВ в несколько раз меньше, чем при энергии E = 10 эВ (высокоэнергетическое напыление). Компоненты тензора напряжений уменьшаются по абсолютной величине с ростом толщины пленки. Полученные величины тензора напряжений согласуются с экспериментальными данными. Рассчитаны модуль Юнга и объемный модуль упругости для стеклообразного диоксида кремния и пленок диоксида кремния, напыленных при различных энергиях осаждаемых атомов кремния. В выбранном интервале давлений от 500 до 1000 атм обе величины слабо зависят от приложенного давления. Рассчитанные величины объемного модуля стеклообразного диоксида кремния 27 ГПа и модуля Юнга 50 ГПа меньше экспериментальных значений 35 ГПа и 71.1 ГПа, что обусловлено параметризацией силового поля DESIL. Величины модуля Юнга и объемного модуля упругости для пленки, напыленной при энергии осаждаемых атомов кремния 0.1 эВ, близки к значениям для стеклообразного диоксида кремния. С увеличением энергии осаждаемых атомов кремния величины объемного модуля упругости и модуля также растут, достигая соответственно 35 ГПа и 70 ГПа при E(Si) = 10 эВ. | ||
| 2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Высокопроизводительные технологии моделирования релаксационных процессов в наноструктурированных тонких пленках |
| Результаты этапа: Предложенный ранее метод расчета пористости напыленных пленок обобщен на случай пор произвольной формы. Предусмотрена возможность расчета объема, площади поверхности и индекса несферичности, количественно характеризующего отличие формы пор от сферической. Найдено, что в случае высокоэнергетического напыления в пленке SiO2 практически нет пор, характерный размер которых превышает 0,2 нм. В случае низкоэнергетического напыления поры, способные вместить атомы и малые молекулы, занимают до нескольких процентов объема. Размер пор при низкоэнергетическом напылении достигает нескольких нанометров. В случае низкоэнергетического напыления увеличение температуры подложки с 300 K до 500 K приводит к уменьшению общего объема пор. Отжиг низкоэнергетических пленок также приводит к уменьшению пористости. Исследовано формирование высокопористых пленок, растущих при осаждении потока атомов, почти параллельного поверхности подложки (glancing angle deposition, GLAD). Выявлено, что высокоэнергетическое осаждение с углами более 70º (отсчитывается от нормали к поверхности) приводит к образованию наклонных раздельных колонн толщиной 10-20 нм. Уменьшение угла осаждения приводит к уменьшению толщины колонн и расстояний между ними. Увеличение температуры подложки к частичному слиянию соседних колонн. Аналогичный эффект оказывает отжиг напыленных пленок. Средняя плотность пленок GLAD уменьшается примерно в два раза по сравнению с плотностью нормально осажденных пленок. Уменьшение плотности наблюдается как для осаждения с высокой энергией (10 эВ), так и с низкой (0,1 эВ), но в случае высокоэнергетического осаждения уменьшение плотности больше. Концентрация точечных дефектов в GLAD пленках растет с уменьшением энергии осаждения. На основе линейных соотношений между плотностью и показателем преломления n значение n GLAD пленок оценено как 1,2, что близко к экспериментальному значению. Исследованы радиальные функции распределения (РФР) стеклообразного диоксида кремния и напыленных пленок. Получено, что положения пиков РФР, отвечающих длине химической связи Si-O и расстоянию между ближайшими атомами кислорода практически совпадают для пленки и стекла. В случае пленки высота пика О-О меньше, чем для стекла. Аналогичное соотношение высот пиков наблюдается и для расстояний между ближайшими атомами кремния. В случае Si-Si в РФР наблюдается плечо справа от основного пика, что означает появление дополнительного пика при меньшей величине расстояния между атомами кремния. Показано, что различия в структуре пленки и стекла проявляются во второй и в последующих координационных сферах. Были рассчитаны модуль Юнга и коэффициент Пуассона стеклообразного диоксида кремния и пленок диоксида кремния. Экспериментальная величина коэффициента Пуассона для стеклообразного диоксида кремния 0,17 находится в интервале расчетных величин от 0,16 до 0,21. Коэффициент Пуассона растет с увеличением энергии напыляемых атомов кремния. В случае низкоэнергетического напыления коэффициент Пуассона пленки близок к соответствующей величине для стекла. Для стеклообразного диоксида кремния рассчитанные значения модуля Юнга 80-95 ГПа несколько превышают экспериментальную величину ГПа. С ростом энергии напыляемых атомов величина модуля Юнга также растет. При моделировании пост-процессинга – комбинированное воздействие температуры и давления - получено, что концентрация немостиковых атомов кислорода c(O1) и трехкоординированных атомов кислорода c(O3) существенно уменьшается при значении давления 1 атм, что эквивалентно отжигу. При низкоэнергетическом напылении (энергия осаждаемых атомов кремния 0,1 эВ) рост давления от 1 атм до 2500 атм приводит к приблизительно двукратному уменьшению c(O1) и c(Si3). Для случая высокоэнергетического осаждения (энергия осаждаемых атомов 10 эВ) рост давления слабо влияет на концентрацию всех типов точечных дефектов. Пост-процессинг снижает плотность пленки, напыленной при высокой энергии атомов кремния, и практически не влияет на угол Si-O-Si и расстояние между ближайшими атомами кислорода. Исследовалось влияние пост-процессинга на профили плотности. Для случая низкоэнергетического осаждения рост температуры от 1500 К до 1800 К приводит к сглаживанию наномасштабных флуктуаций плотности, появившихся при росте пленки. Дальнейший рост температуры слабо влияет на профиль плотности. | ||
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".