低能C36团簇金刚石表面纳米薄膜沉积机理的研究

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自从1985年C60被发现以来,人类第一次认识到碳除石墨、金刚石外的第三种物质结构形态,在之后的研究中,越来越多的富勒烯结构碳分子被发现。1998年加里福利亚大学的Zettl研究小组使用弧光放电的方法制备了固态C36,它优异而独特的性能吸引了国际上许多专家和学者的广泛关注。特别值得注意的是,C36这种小富勒烯,结构中含有很多连接在一起的五边形,使得它具有极高的弯曲度(Curvature),从而展现出比C60更为丰富的化学和物理性质。另一方面,低能团簇束沉积(LEBCD)组装纳米薄膜已成为材料科学研究的热点之一。低能团簇在表面的沉积是一个相当复杂的过程,它不仅要受到衬底和沉积团簇特性的影响,而且还与彼此接触面的原子间相互作用及系统热力学和碰撞动力学之间的竞争密切相关。由于在实验上很难对分子与表面相互作用的动力学过程进行跟踪观察,许多与原子有关的细节无法获得。因此在原子水平上研究富勒烯与表面的相互作用,了解薄膜生长的微观机制,探索实验条件对纳米结构的影响,对改进生成薄膜的质量和制备技术有着重要的意义。本文基于分子动力学方法并选用Brenner-LJ拟合势函数描述碳原子间的相互作用,介绍了分子动力学模拟的基本概念和基本理论,重点研究了势函数的选取,求解运动方程的算法,以及所使用的边界条件和初始条件等。详细推导了Brenner-LJ拟合势函数,并在此基础上,建立了C36分子在金刚石表面沉积实验的仿真模型,编制了相关的模拟仿真程序。本文从入射能量,碰撞点的位置,C36入射姿势和入射角度等影响因素入手,研究了单个C36分子在金刚石(100)表面的沉积机制,我们发现,C36分子在金刚石(100)表面发生沉积的能量窗口是30~70eV,而最佳沉积初始状态为,入射角0~20°,入射能30~60eV,在此区间的入射事件中,C36分子都能稳定地沉积而且保持了自由团簇的笼形结构。随后在此基础上研究了多个C36分子沉积机制,通过对多个C36分子沉积过程中团簇间以及团簇和表面间的相互竞争机制分析,我们得到生成C36单层膜的能量范围:10~18eV。论证了单层膜生长方式和“岛”式膜生长方式间的关系。
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