基于分子動力學(xué)的TiN薄膜沉積行為與性能多維度解析一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代材料科學(xué)領(lǐng)域，薄膜材料因其獨特的性能和廣泛的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。TiN薄膜作為一種重要的過渡金屬氮化物薄膜，憑借其高硬度、高耐磨性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、獨特的金黃色外觀以及低電阻率和優(yōu)異的擴散阻擋層性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價值。在涂層領(lǐng)域，TiN薄膜的高硬度和高耐磨性使其成為刀具和模具表面涂層的理想選擇。通過在刀具表面沉積TiN薄膜，可以顯著提高刀具的切削性能和使用壽命。例如，在金屬切削加工中，TiN涂層刀具能夠有效抵抗磨損，降低切削力，提高加工精度和表面質(zhì)量，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。在模具制造中，TiN薄膜涂層可以增強模具的耐磨性和抗腐蝕性，延長模具的使用壽命，提高模具的成型質(zhì)量，對于提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量具有重要意義。在微電子領(lǐng)域，TiN薄膜的低電阻率和良好的熱穩(wěn)定性使其在集成電路中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它可作為金屬電極、擴散阻擋層和互連材料使用。在超大規(guī)模集成電路中，TiN薄膜作為擴散阻擋層，能夠有效阻止雜質(zhì)原子的擴散，保證器件的性能和可靠性。同時，其良好的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性也使得TiN薄膜能夠滿足微電子器件在高速、高集成度發(fā)展趨勢下對材料性能的嚴格要求。在鍍膜領(lǐng)域，TiN薄膜獨特的金黃色外觀使其在裝飾鍍膜方面得到廣泛應(yīng)用。例如，在手表、珠寶、衛(wèi)浴五金等產(chǎn)品的表面鍍上TiN薄膜，可以賦予產(chǎn)品美觀的外觀和良好的耐磨性，提高產(chǎn)品的附加值。此外，在一些建筑裝飾材料中，TiN薄膜也被用于增加材料的裝飾性和耐久性。在醫(yī)療領(lǐng)域，TiN薄膜的良好生物相容性和耐腐蝕性使其在醫(yī)療器械和植入物表面改性方面具有潛在的應(yīng)用價值。研究表明，在醫(yī)用不銹鋼表面沉積TiN薄膜，可以提高其硬度、耐磨性、耐腐蝕性和生物相溶性，為醫(yī)療器械的長期安全使用提供了保障。例如，在人工關(guān)節(jié)、牙科種植體等醫(yī)療器械表面涂覆TiN薄膜，能夠減少器械與人體組織之間的摩擦和磨損，降低感染風(fēng)險，提高器械的使用壽命和生物相容性，有助于提高患者的生活質(zhì)量。盡管TiN薄膜在諸多領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，但對其沉積行為和性能的深入理解仍存在一定挑戰(zhàn)。實驗研究雖然能夠直接獲取TiN薄膜的性能數(shù)據(jù)，但受到實驗條件的限制，難以深入探究薄膜在原子尺度下的沉積過程和微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。而分子動力學(xué)模擬作為一種重要的計算材料學(xué)方法，能夠從原子層面揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為，為深入理解TiN薄膜的沉積行為和性能提供了有力的工具。通過分子動力學(xué)模擬，可以詳細研究TiN薄膜在沉積過程中原子的運動軌跡、擴散行為以及原子間的相互作用，從而深入了解薄膜的生長機制和微觀結(jié)構(gòu)的形成過程。例如，模擬不同沉積條件下（如溫度、沉積速率、原子入射角度等）TiN薄膜的生長過程，可以分析這些因素對薄膜微觀結(jié)構(gòu)（如晶粒尺寸、晶界分布、缺陷密度等）的影響，進而為優(yōu)化薄膜的沉積工藝提供理論指導(dǎo)。在薄膜性能方面，分子動力學(xué)模擬可以研究TiN薄膜在受力、受熱等不同外界條件下的力學(xué)性能、熱學(xué)性能以及電學(xué)性能等，揭示微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。例如，通過模擬拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)加載過程，分析薄膜的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、屈服強度、彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為設(shè)計具有特定力學(xué)性能的TiN薄膜提供理論依據(jù)。同時，模擬薄膜在不同溫度下的熱膨脹行為、熱傳導(dǎo)過程等，有助于深入理解其熱學(xué)性能，為其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用提供理論支持。此外，研究薄膜在電場作用下的電子輸運行為，對于揭示其電學(xué)性能的微觀機制具有重要意義，可為其在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用提供指導(dǎo)。因此，開展TiN薄膜沉積行為及其性能的分子動力學(xué)研究具有重要的理論和實際意義。一方面，有助于從原子尺度深入理解TiN薄膜的沉積過程和微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，豐富和完善薄膜材料的理論體系；另一方面，通過模擬結(jié)果指導(dǎo)實驗研究和工藝優(yōu)化，能夠制備出性能更加優(yōu)異的TiN薄膜，進一步拓展其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀TiN薄膜作為一種性能優(yōu)異的材料，其制備工藝和性能研究一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門話題。國內(nèi)外學(xué)者從實驗研究和分子動力學(xué)模擬兩方面展開深入探究，在制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系等方面取得了豐碩成果。在制備工藝的實驗研究方面，物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）是制備TiN薄膜的主要方法。PVD中的磁控濺射技術(shù)應(yīng)用廣泛，如楊溪等人采用反應(yīng)磁控濺射在304不銹鋼表面沉積TiN薄膜，系統(tǒng)研究了Ti過渡層沉積時間對TiN薄膜微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)Ti過渡層沉積時間為20min，厚度為340nm時，TiN薄膜結(jié)晶性最強，硬度和彈性模量達到最大值，分別為21.6GPa和327.5GPa，平均摩擦因數(shù)達到最小值0.45，臨界載荷達到最大值24.7N，此時薄膜的綜合性能最優(yōu)。若進一步延長Ti過渡層的沉積時間，TiN薄膜的柱狀晶組織會粗化，導(dǎo)致力學(xué)性能、摩擦性能以及與基體的結(jié)合力均降低。在CVD方面，研究人員不斷探索新的工藝參數(shù)和反應(yīng)條件以優(yōu)化TiN薄膜的性能。如資料中提到使用熱原子層沉積（ALD）方法沉積TiN薄膜時，研究了400°C-600°C沉積溫度范圍內(nèi)的沉積速率、電阻率變化和表面形貌特征。發(fā)現(xiàn)隨著沉積溫度的升高，電阻率降低至177μΩ?cm（600°C時），但表面粗糙度（Rq）增加至0.69nm，并且階梯覆蓋率惡化。為了獲得即使在低沉積溫度下也具有優(yōu)異電阻率和臺階覆蓋特性的高質(zhì)量TiN薄膜，采用N?/He氣體比例為3:2的組合對TiN薄膜進行等離子體后處理，有效改善了薄膜性能。在微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的實驗研究方面，許多學(xué)者通過各種先進的表征手段深入分析TiN薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，并探究其與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。利用X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、納米壓痕儀等設(shè)備，對薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、硬度等性能進行測試分析。通過XRD分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和擇優(yōu)取向，SEM觀察薄膜的表面形貌和微觀組織，納米壓痕儀測量薄膜的硬度和彈性模量等力學(xué)性能。在分子動力學(xué)模擬方面，研究主要集中在探究各種因素對TiN材料力學(xué)性能的影響。李沼希使用分子動力學(xué)軟件包lammps基于2NNMEAM勢分別對TiN單晶、多晶材料進行計算機仿真研究。在對單晶氮化鈦納米桿的研究中，分析了沿[100]、[111]兩種晶向拉伸下的不同截面尺寸、不同拉伸應(yīng)變率、不同溫度下的氮化鈦納米桿的力學(xué)性能。結(jié)果表明，沿[100]晶向拉伸，截面尺寸越大，屈服強度越低；而沿[111]晶向，截面尺寸越大，屈服強度越大。應(yīng)變率越高，溫度越低，屈服強度與彈性模量越大。不同拉伸條件下的氮化鈦納米桿的拉伸過程均包括彈性變形、塑性變形與斷裂階段，且[100]晶向的彈性模量都要高于[111]晶向。在對TiN多晶體的研究中，通過編程方法基于Voronoi算法構(gòu)建了TiN多晶體模型，并控制其晶粒尺寸的分布，模擬了多晶氮化鈦軸向拉伸及壓縮過程。發(fā)現(xiàn)晶粒及晶界的不同運動機制對屈服強度產(chǎn)生重要影響，在拉伸仿真過程中，屈服強度隨著晶粒尺寸的變化出現(xiàn)正、逆Hall-Petch關(guān)系；在壓縮仿真過程中，晶界處的變形機制使壓縮過程的屈服強度隨晶粒尺寸增大而增大，最后屈服強度值趨于穩(wěn)定。通過對拉伸及壓縮過程結(jié)果的比較分析，得出TiN多晶體平均晶粒尺寸在3nm到5nm之間時，材料硬度可達到最高。盡管國內(nèi)外在TiN薄膜研究領(lǐng)域已取得諸多成果，但仍存在一些不足。在實驗研究中，對于一些復(fù)雜的沉積過程和微觀結(jié)構(gòu)演變機制，還缺乏深入系統(tǒng)的認識。不同制備工藝和參數(shù)對薄膜性能的影響規(guī)律尚未完全明確，難以實現(xiàn)對薄膜性能的精確調(diào)控。在分子動力學(xué)模擬方面，雖然能夠從原子尺度揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為，但模擬結(jié)果與實際實驗結(jié)果之間還存在一定的差距。模擬過程中所采用的作用勢和模型假設(shè)等，難以完全準確地反映實際材料體系中的各種相互作用和復(fù)雜物理過程。此外，目前對TiN薄膜在多場耦合作用下（如力、熱、電、化學(xué)等場）的性能研究還相對較少，無法滿足其在復(fù)雜服役環(huán)境下的應(yīng)用需求。1.3研究內(nèi)容與方法本文旨在運用分子動力學(xué)模擬方法，深入研究TiN薄膜的沉積行為及其性能，從原子尺度揭示其微觀機制，為TiN薄膜的制備工藝優(yōu)化和性能改進提供理論指導(dǎo)。具體研究內(nèi)容和方法如下：構(gòu)建模型：使用分子動力學(xué)模擬軟件（如LAMMPS），構(gòu)建TiN薄膜生長的初始模型。包括確定模擬體系的大小、原子數(shù)、原子初始位置和速度分布等。同時，考慮基片的影響，構(gòu)建基片與薄膜生長區(qū)域的耦合模型，以更真實地模擬薄膜在基片上的沉積過程。采用合適的原子間相互作用勢來描述Ti原子與N原子之間的相互作用，以及它們與基片原子之間的相互作用。常見的作用勢有EAM（EmbeddedAtomMethod）勢、MEAM（ModifiedEmbeddedAtomMethod）勢等，通過對比不同作用勢下模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)或理論計算結(jié)果，選擇最適合本研究體系的作用勢。研究沉積過程：模擬不同沉積條件下（如溫度、沉積速率、原子入射角度等）TiN薄膜的生長過程。通過跟蹤原子的運動軌跡，分析原子在基片表面的吸附、擴散、成核和生長等行為，研究薄膜的生長機制。在不同溫度下進行模擬，觀察溫度對原子擴散系數(shù)、成核速率和薄膜生長速率的影響。較高的溫度通常會增加原子的擴散能力，使原子更容易在基片表面遷移，從而影響薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和生長質(zhì)量。改變沉積速率，分析其對薄膜生長過程的影響。較低的沉積速率可能使原子有足夠的時間在基片表面找到合適的位置進行排列，有利于形成高質(zhì)量的薄膜；而較高的沉積速率可能導(dǎo)致原子來不及擴散就被后續(xù)原子覆蓋，從而在薄膜中引入更多的缺陷。調(diào)整原子入射角度，研究其對薄膜生長的影響。不同的入射角度會改變原子在基片表面的初始動量和能量分布，進而影響原子的吸附和擴散行為，最終影響薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和性能。分析薄膜微觀結(jié)構(gòu)：模擬結(jié)束后，對生成的TiN薄膜微觀結(jié)構(gòu)進行分析。利用原子坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計算薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、晶界分布、缺陷密度等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用徑向分布函數(shù)（RDF）分析薄膜中原子的近程有序性和配位情況，了解原子的排列方式和鍵合特征。通過分析RDF曲線的峰值位置和強度，可以確定原子間的平均距離和配位數(shù)，從而判斷薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的類型。使用共近鄰分析（CNA）等方法，識別薄膜中的不同晶體結(jié)構(gòu)區(qū)域（如面心立方、體心立方等），并分析其相對含量和分布情況。CNA方法通過計算原子的近鄰原子數(shù)和它們之間的相對位置關(guān)系，來判斷原子所處的晶體結(jié)構(gòu)環(huán)境，有助于深入了解薄膜的微觀結(jié)構(gòu)特征。統(tǒng)計薄膜中的晶粒尺寸分布和晶界面積，研究沉積條件對晶粒生長和晶界形成的影響。較小的晶粒尺寸和較多的晶界通常會提高薄膜的硬度和強度，但也可能增加薄膜的電阻和界面能，影響其電學(xué)和熱力學(xué)性能。分析薄膜中的缺陷類型（如空位、間隙原子、位錯等）及其密度，探討缺陷對薄膜性能的影響機制。缺陷的存在會破壞薄膜的原子排列周期性，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中和電子散射，從而影響薄膜的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性能。探究薄膜性能：對沉積得到的TiN薄膜進行力學(xué)性能、熱學(xué)性能和電學(xué)性能等方面的模擬研究。通過模擬拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)加載過程，計算薄膜的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、屈服強度、彈性模量、斷裂韌性等力學(xué)性能參數(shù)，分析微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系。在拉伸模擬中，觀察薄膜在不同應(yīng)變率下的變形行為，分析位錯的產(chǎn)生、運動和交互作用，以及它們對屈服強度和斷裂過程的影響。較高的應(yīng)變率可能導(dǎo)致位錯來不及滑移和攀移，從而使薄膜表現(xiàn)出更高的強度和脆性。模擬薄膜在不同溫度下的熱膨脹行為、熱傳導(dǎo)過程，計算熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率等熱學(xué)性能參數(shù)，研究薄膜的熱穩(wěn)定性和熱傳輸特性。分析原子的振動模式和能量傳遞機制，探討微觀結(jié)構(gòu)對熱學(xué)性能的影響。例如，晶界和缺陷的存在會散射聲子，降低薄膜的熱導(dǎo)率，而有序的晶體結(jié)構(gòu)則有利于熱傳導(dǎo)。通過施加電場，模擬電子在薄膜中的輸運過程，計算薄膜的電導(dǎo)率、電子遷移率等電學(xué)性能參數(shù)，研究薄膜的電學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。分析雜質(zhì)原子、缺陷和晶界對電子散射的影響，探討提高薄膜電學(xué)性能的途徑。例如，減少雜質(zhì)和缺陷的含量，優(yōu)化薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，可以降低電子散射，提高電導(dǎo)率。對比驗證：將分子動力學(xué)模擬得到的結(jié)果與相關(guān)實驗數(shù)據(jù)或理論計算結(jié)果進行對比驗證。若模擬結(jié)果與實驗或理論結(jié)果存在差異，分析差異產(chǎn)生的原因，如作用勢的局限性、模型簡化、模擬條件與實際情況的差異等，并對模擬模型和參數(shù)進行優(yōu)化和改進，以提高模擬結(jié)果的準確性和可靠性。收集相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，如薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱學(xué)性能和電學(xué)性能等方面的數(shù)據(jù)，與模擬結(jié)果進行詳細對比。通過對比，驗證模擬方法的有效性和模擬結(jié)果的合理性。分析模擬結(jié)果與實驗或理論結(jié)果之間的差異，探討可能的原因。例如，模擬中使用的作用勢可能無法完全準確地描述原子間的相互作用，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況存在偏差；模型的簡化可能忽略了一些實際因素，如雜質(zhì)、表面效應(yīng)等，也會影響模擬結(jié)果的準確性。根據(jù)分析結(jié)果，對模擬模型和參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化。例如，嘗試使用更精確的作用勢，改進模型的構(gòu)建方法，考慮更多的實際因素，以提高模擬結(jié)果與實際情況的吻合度。通過不斷的對比驗證和優(yōu)化改進，使分子動力學(xué)模擬能夠更準確地預(yù)測TiN薄膜的沉積行為和性能，為實驗研究和實際應(yīng)用提供更有價值的參考。二、分子動力學(xué)基礎(chǔ)與模擬方法2.1分子動力學(xué)原理分子動力學(xué)（MolecularDynamics，簡稱MD）是一種基于牛頓運動定律的計算方法，通過計算機仿真不斷迭代模擬大量原子或分子在不同時刻下的運動軌跡和相互作用過程，從而深入研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為。其核心原理是將體系中的原子視為具有質(zhì)量和相互作用力的粒子，依據(jù)牛頓第二定律F=ma（其中F為原子所受的力，m為原子質(zhì)量，a為原子加速度）來描述原子的運動。在分子動力學(xué)模擬中，首先需要確定模擬體系的初始條件，包括原子的初始位置和速度。原子的初始位置通常根據(jù)研究對象的特點和需求進行設(shè)定，例如在研究TiN薄膜沉積時，可將基片原子按一定晶格結(jié)構(gòu)排列，然后在基片表面上方適當(dāng)位置放置初始的Ti和N原子。初始速度則一般根據(jù)體系的溫度，按照Maxwell-Boltzmann分布進行隨機分配，以保證體系具有一定的初始動能和溫度分布。體系中原子間的相互作用通過勢函數(shù)來描述。勢函數(shù)是分子動力學(xué)模擬的關(guān)鍵要素之一，它決定了原子之間的相互作用力和勢能。常見的勢函數(shù)有Lennard-Jones（LJ）勢、Morse勢、EAM勢、MEAM勢等。不同的勢函數(shù)適用于不同的體系和研究目的。例如，LJ勢常用于描述簡單分子體系或惰性氣體原子間的相互作用，它主要考慮了原子間的短程吸引和長程排斥作用，形式為U(r)=4\epsilon[(\frac{\sigma}{r})^{12}-(\frac{\sigma}{r})^6]，其中r是兩個原子間的距離，\epsilon表示勢阱深度，\sigma為原子間的平衡距離。Morse勢則更適合描述具有較強成鍵作用的分子體系，其表達式為U(r)=D_e(1-e^{-\beta(r-r_0)})^2，D_e為分子的離解能，\beta決定了勢能曲線的形狀，r_0是平衡鍵長。對于金屬和合金體系，EAM勢和MEAM勢應(yīng)用較為廣泛。EAM勢將原子的總能量分為電子云嵌入能和原子間的對勢兩部分，能夠較好地描述金屬中電子的離域效應(yīng)和多體相互作用，其總能量表達式為E=\sum_{i}F_i(\rho_i)+\frac{1}{2}\sum_{i\neqj}\phi_{ij}(r_{ij})，其中F_i(\rho_i)是原子i嵌入到電子云密度為\rho_i中的嵌入能，\phi_{ij}(r_{ij})是原子i和j之間的對勢，r_{ij}是原子i和j之間的距離。MEAM勢是在EAM勢的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，它進一步考慮了原子環(huán)境對原子間相互作用的影響，能夠更準確地描述晶體的彈性性質(zhì)、缺陷形成能等。在確定了初始條件和勢函數(shù)后，通過數(shù)值積分方法求解牛頓運動方程，即可得到原子在不同時刻的位置和速度。常用的數(shù)值積分算法有Verlet算法、Velocity-Verlet算法、Leap-frog算法等。以Verlet算法為例，其基本思想是通過泰勒展開來近似計算原子在下一步的位置和速度。假設(shè)在t時刻原子的位置為r(t)，速度為v(t)，加速度為a(t)，根據(jù)泰勒展開式r(t+\Deltat)=r(t)+v(t)\Deltat+\frac{1}{2}a(t)\Deltat^2和r(t-\Deltat)=r(t)-v(t)\Deltat+\frac{1}{2}a(t)\Deltat^2，兩式相加可得r(t+\Deltat)=2r(t)-r(t-\Deltat)+a(t)\Deltat^2，從而可以根據(jù)前兩個時刻的位置和當(dāng)前時刻的加速度計算出下一時刻的位置。速度則可以通過v(t+\frac{\Deltat}{2})=\frac{r(t+\Deltat)-r(t)}{\Deltat}和v(t+\Deltat)=v(t+\frac{\Deltat}{2})+\frac{1}{2}a(t+\Deltat)\Deltat來計算。在模擬過程中，需要不斷更新原子的位置和速度，計算原子間的相互作用力和勢能，重復(fù)這一過程，就可以得到體系中原子在一段時間內(nèi)的運動軌跡。通過對這些軌跡數(shù)據(jù)的分析，可以獲取體系的各種微觀信息，如原子的擴散系數(shù)、體系的結(jié)構(gòu)因子、徑向分布函數(shù)等，進而深入了解材料的微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為。例如，通過分析原子的運動軌跡，可以計算原子的擴散系數(shù)，了解原子在體系中的擴散行為；通過計算徑向分布函數(shù)，可以了解原子在空間中的分布情況，判斷體系的晶體結(jié)構(gòu)和有序程度。2.2模擬軟件與參數(shù)設(shè)置本研究選用LAMMPS（Large-scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator）軟件進行分子動力學(xué)模擬。LAMMPS是一款功能強大的開源分子動力學(xué)模擬軟件，具有高效的并行計算能力，能夠處理從幾個原子到數(shù)億個原子的大規(guī)模體系，適用于模擬多種類型的材料體系，如原子、金屬、聚合物、生物分子等，在材料科學(xué)、化學(xué)、生物等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其并行計算能力使其能夠在多處理器計算機上高效運行，大大縮短了模擬時間，提高了研究效率。同時，LAMMPS具有高度的可擴展性，用戶可以方便地添加新的功能和算法，以滿足不同的研究需求。在模擬中，原子間相互作用勢的選擇至關(guān)重要，它直接影響模擬結(jié)果的準確性。對于TiN體系，選用2NNMEAM（2-Nearest-NeighborModifiedEmbeddedAtomMethod）勢來描述Ti原子與N原子之間的相互作用。2NNMEAM勢是一種改進的嵌入原子方法勢函數(shù)，它在描述過渡金屬及其化合物體系時表現(xiàn)出良好的性能，能夠準確地反映原子間的多體相互作用，包括原子的電子云分布、原子間的成鍵和反鍵作用等。與其他勢函數(shù)相比，2NNMEAM勢在描述TiN體系的力學(xué)性能、晶體結(jié)構(gòu)和缺陷形成能等方面具有更高的精度。通過與實驗數(shù)據(jù)和其他理論計算結(jié)果的對比驗證，發(fā)現(xiàn)2NNMEAM勢能夠較好地模擬TiN材料的各種性質(zhì)，因此選擇該勢函數(shù)用于本研究。模擬體系采用周期性邊界條件，以消除邊界效應(yīng)的影響。在x、y、z三個方向上，模擬盒子均進行周期性擴展，當(dāng)原子運動出模擬盒子的某一邊界時，其映像原子會從另一對立邊界以相同的狀態(tài)進入盒子中，從而保證體系在宏觀上的均勻性和連續(xù)性。在模擬薄膜生長時，若模擬盒子過小，邊界處的原子與內(nèi)部原子的相互作用會受到影響，導(dǎo)致薄膜生長不均勻。而采用周期性邊界條件，能夠使原子在模擬盒子中自由運動，更真實地模擬薄膜在無限大基片上的生長過程。模擬盒子的尺寸設(shè)置為5\times5\times10nm3，該尺寸既能保證體系中包含足夠數(shù)量的原子以反映宏觀性質(zhì)，又能在計算資源可承受的范圍內(nèi)進行高效模擬。在確定模擬盒子尺寸時，考慮了薄膜的生長厚度、原子的擴散范圍以及計算資源的限制。若盒子尺寸過小，原子在生長過程中可能會頻繁與邊界相互作用，影響薄膜的生長質(zhì)量；若盒子尺寸過大，則會增加計算量，延長模擬時間。通過多次預(yù)模擬和分析，確定了上述尺寸為較為合適的模擬盒子大小。時間步長設(shè)置為0.001ps，這是在保證模擬穩(wěn)定性和計算效率之間的平衡選擇。時間步長過大，原子在一步內(nèi)的運動距離可能過大，導(dǎo)致模擬結(jié)果不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)能量不守恒的情況；時間步長過小，則會增加模擬的總步數(shù)和計算量，延長模擬時間。在前期測試中，嘗試了不同的時間步長，如0.0005ps、0.001ps和0.002ps，通過觀察原子的運動軌跡、體系的能量變化以及模擬所需的計算時間，發(fā)現(xiàn)時間步長為0.001ps時，既能保證模擬的穩(wěn)定性，又能在合理的時間內(nèi)完成模擬任務(wù)。2.3模型構(gòu)建本研究采用編程方法基于Voronoi算法構(gòu)建TiN多晶薄膜原子模型。Voronoi算法是一種基于空間劃分的算法，在材料科學(xué)領(lǐng)域常用于構(gòu)建多晶模型，能夠有效描述晶粒的分布和晶界的形成。其基本原理是將空間中的點（在本研究中對應(yīng)晶核）作為種子，通過對空間進行劃分，使得每個區(qū)域內(nèi)的點到該區(qū)域內(nèi)種子點的距離小于到其他種子點的距離，這些劃分后的區(qū)域就構(gòu)成了Voronoi多邊形，每個多邊形代表一個晶粒。在構(gòu)建模型時，首先在模擬盒子中隨機生成一定數(shù)量的晶核，晶核的數(shù)量和分布會影響最終薄膜的晶粒尺寸和分布。通過Voronoi算法對這些晶核進行處理，生成Voronoi多邊形，從而確定每個晶粒的邊界和范圍。在每個晶粒內(nèi)部，按照TiN的晶體結(jié)構(gòu)（面心立方結(jié)構(gòu)）排列Ti原子和N原子。TiN晶體中，Ti原子和N原子以一定的比例和晶格常數(shù)排列，形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。在本模型中，根據(jù)面心立方晶格的特點，確定Ti原子和N原子在晶粒內(nèi)的位置，使得模型能夠準確反映TiN的晶體結(jié)構(gòu)特征。為了更準確地模擬TiN薄膜在基片上的生長過程，模型中還考慮了基片的作用?；油瑯影凑找欢ǖ木Ц窠Y(jié)構(gòu)排列在模擬盒子的底部，與薄膜生長區(qū)域相鄰。在實際模擬中，設(shè)定基片原子為固定原子，即它們在模擬過程中不發(fā)生移動，以模擬真實的基片環(huán)境。這樣，在薄膜生長過程中，沉積的Ti和N原子可以與基片原子相互作用，更真實地反映薄膜在基片上的成核和生長過程。模擬模型的尺寸為5\times5\times10nm3，其中x和y方向的尺寸決定了薄膜在平面內(nèi)的大小，z方向的尺寸則涵蓋了薄膜的生長方向以及一定的空間用于原子的擴散和運動。在這個尺寸的模擬盒子中，包含了約5\times10^5個原子，這個原子數(shù)量既能保證模型具有足夠的統(tǒng)計意義，能夠反映出薄膜的宏觀性質(zhì)，又在計算資源可承受的范圍內(nèi)，確保模擬能夠高效進行。通過合理設(shè)置模擬模型的尺寸和原子數(shù)量，使得構(gòu)建的模型能夠準確地模擬TiN薄膜的沉積行為和性能。三、TiN薄膜沉積行為的分子動力學(xué)模擬3.1沉積過程模擬利用LAMMPS軟件對TiN薄膜原子在基底上的沉積過程進行模擬。在模擬過程中，設(shè)定沉積溫度為300K，該溫度接近室溫條件，便于與實際情況進行對比和分析。原子的入射能量為0.5eV，這一能量值在實際的物理氣相沉積過程中較為常見，能夠使原子在基底表面具有一定的遷移能力，同時又不至于能量過高導(dǎo)致原子過度濺射或無法穩(wěn)定吸附。沉積速率設(shè)定為10atoms/ps，以保證在合理的模擬時間內(nèi)能夠觀察到薄膜的生長過程，且該速率與實驗中常見的沉積速率范圍相匹配。模擬開始時，基底原子按照面心立方晶格結(jié)構(gòu)在模擬盒子底部排列，形成穩(wěn)定的基底結(jié)構(gòu)。隨后，Ti和N原子按照TiN的化學(xué)計量比（1:1），以設(shè)定的入射能量和沉積速率從模擬盒子頂部向基底表面入射。在入射過程中，原子與基底原子以及已沉積的原子之間發(fā)生相互作用，這些相互作用通過2NNMEAM勢來描述。通過對模擬過程中原子運動軌跡的跟蹤，可以清晰地觀察到原子在基底表面的擴散、吸附與成核機制。當(dāng)原子入射到基底表面時，部分原子會與基底原子發(fā)生碰撞，損失一定的能量后，在基底表面進行擴散。原子的擴散能力與溫度密切相關(guān)，在300K的沉積溫度下，原子具有一定的擴散能力，能夠在基底表面遷移一定的距離。在擴散過程中，原子會尋找合適的位置進行吸附，當(dāng)原子與基底原子或已吸附的原子之間的相互作用能足夠低時，原子就會穩(wěn)定吸附在基底表面。隨著吸附原子數(shù)量的增加，當(dāng)達到一定的臨界密度時，原子開始在基底表面聚集形成原子團簇，即發(fā)生成核現(xiàn)象。這些原子團簇成為后續(xù)薄膜生長的核心，更多的原子會繼續(xù)吸附到團簇上，使其逐漸長大。在成核過程中，原子團簇的形成和生長受到多種因素的影響，如原子的擴散速率、吸附能以及基底表面的缺陷等。原子的擴散速率越快，越容易在基底表面找到合適的位置形成團簇；吸附能越大，原子與團簇的結(jié)合越穩(wěn)定，有利于團簇的生長；基底表面的缺陷，如空位、臺階等，能夠提供額外的吸附位點，促進成核的發(fā)生。在薄膜生長初期，原子團簇隨機分布在基底表面，隨著沉積過程的繼續(xù)，團簇之間會逐漸相互靠近并發(fā)生融合。當(dāng)團簇融合到一定程度時，薄膜開始逐漸形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)。在這個過程中，原子的擴散和遷移起到了關(guān)鍵作用，它們能夠使原子在薄膜內(nèi)部重新排列，填補間隙和缺陷，從而提高薄膜的質(zhì)量和致密度。同時，原子之間的相互作用也會影響薄膜的生長方向和晶體結(jié)構(gòu)，使得薄膜逐漸形成具有一定取向的晶粒結(jié)構(gòu)。3.2影響沉積行為的因素3.2.1沉積溫度沉積溫度是影響TiN薄膜沉積行為的重要因素之一。在分子動力學(xué)模擬中，通過改變沉積溫度，研究其對原子能量、遷移率以及薄膜生長速率和結(jié)構(gòu)均勻性的影響。隨著沉積溫度的升高，原子的能量增加，這使得原子在基底表面的遷移率顯著提高。在較低溫度下，原子能量較低，其在基底表面的遷移能力有限，往往只能在較小的范圍內(nèi)擴散。而當(dāng)溫度升高時，原子獲得了更多的動能，能夠克服更大的能量勢壘，從而在基底表面進行更廣泛的遷移。這種遷移能力的增強，使得原子在吸附到基底表面后，有更多機會找到能量更低、更穩(wěn)定的位置進行排列。在薄膜生長初期，原子的遷移能力對成核過程有著關(guān)鍵影響。較高的溫度使得原子更容易在基底表面聚集形成穩(wěn)定的原子團簇，從而提高成核速率。在高溫下，原子能夠快速地擴散到合適的位置，使得原子團簇的形成更加容易和迅速。而在低溫下，原子遷移緩慢，成核過程相對困難，成核速率較低。隨著薄膜的生長，原子的遷移能力對薄膜的生長速率和結(jié)構(gòu)均勻性也有著重要作用。在較高溫度下，原子能夠迅速地填充到薄膜的間隙和缺陷中，使得薄膜的生長更加連續(xù)和均勻。原子的快速遷移能夠使薄膜中的原子排列更加有序，減少缺陷的產(chǎn)生，從而提高薄膜的質(zhì)量。然而，過高的溫度也可能導(dǎo)致原子的過度擴散，使得薄膜的生長速率過快，導(dǎo)致薄膜的結(jié)構(gòu)變得疏松，降低薄膜的致密度和力學(xué)性能。在過高的溫度下，原子可能會從薄膜表面蒸發(fā)，影響薄膜的生長質(zhì)量。為了更直觀地展示沉積溫度對薄膜生長的影響，圖1給出了不同沉積溫度下薄膜生長過程的模擬快照。從圖中可以清晰地看到，在低溫下（如200K），原子的遷移能力較弱，薄膜生長較為緩慢，原子團簇分布較為分散，薄膜結(jié)構(gòu)不均勻；而在高溫下（如500K），原子遷移能力增強，薄膜生長速率明顯加快，原子團簇更容易聚集和融合，薄膜結(jié)構(gòu)更加均勻，但也出現(xiàn)了一些空洞和缺陷。圖1：不同沉積溫度下薄膜生長過程的模擬快照通過對不同沉積溫度下薄膜生長速率的計算和分析，得到了如圖2所示的生長速率與溫度的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，薄膜的生長速率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在較低溫度范圍內(nèi)，溫度的升高顯著提高了原子的遷移率，促進了原子的吸附和擴散，從而使得薄膜生長速率快速增加。當(dāng)溫度超過一定值后，過高的溫度導(dǎo)致原子的過度蒸發(fā)和擴散，使得薄膜生長速率反而下降。圖2：薄膜生長速率與沉積溫度的關(guān)系曲線沉積溫度對TiN薄膜的結(jié)構(gòu)均勻性也有著重要影響。通過計算薄膜中原子的配位數(shù)分布和徑向分布函數(shù)，可以分析薄膜的結(jié)構(gòu)均勻性。在較低溫度下，由于原子遷移能力有限，薄膜中原子的配位數(shù)分布不均勻，徑向分布函數(shù)的峰值較寬且不尖銳，表明薄膜中存在較多的缺陷和無序結(jié)構(gòu)。而在較高溫度下，原子遷移能力增強，原子的配位數(shù)分布更加均勻，徑向分布函數(shù)的峰值更加尖銳，表明薄膜的結(jié)構(gòu)更加有序和均勻。沉積溫度對TiN薄膜的沉積行為有著多方面的影響。適當(dāng)提高沉積溫度可以增強原子的遷移能力，提高成核速率和薄膜生長速率，改善薄膜的結(jié)構(gòu)均勻性；但過高的溫度也可能導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)疏松和生長速率下降。在實際制備TiN薄膜時，需要根據(jù)具體需求和工藝條件，選擇合適的沉積溫度，以獲得性能優(yōu)異的薄膜。3.2.2沉積速率沉積速率是影響TiN薄膜沉積行為的另一個關(guān)鍵因素，它直接關(guān)系到原子到達基底的頻率，進而對薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和缺陷形成產(chǎn)生重要作用。在分子動力學(xué)模擬中，通過設(shè)置不同的沉積速率，深入探究其對薄膜生長過程的影響。當(dāng)沉積速率較低時，原子有足夠的時間在基底表面進行充分的擴散和遷移。在這種情況下，原子能夠在基底表面找到能量最低的位置進行吸附和排列，有利于形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。在低沉積速率下，原子在基底表面的擴散距離較大，能夠與周圍的原子充分相互作用，從而形成更加穩(wěn)定的原子團簇。這些原子團簇作為結(jié)晶的核心，能夠有序地生長，使得薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較高，缺陷較少。隨著沉積速率的增加，原子到達基底的頻率顯著提高，單位時間內(nèi)沉積在基底表面的原子數(shù)量增多。這使得原子在基底表面的擴散時間相對減少，來不及充分擴散就被后續(xù)沉積的原子覆蓋。在高沉積速率下，原子可能會在基底表面隨機堆積，導(dǎo)致薄膜中出現(xiàn)較多的間隙原子、空位等缺陷。這些缺陷的存在會破壞薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，降低薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。高沉積速率還可能導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力。由于原子在短時間內(nèi)大量沉積，原子之間的相互作用來不及充分調(diào)整，使得薄膜內(nèi)部的原子排列處于一種非平衡狀態(tài)，從而產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力的積累可能會導(dǎo)致薄膜在后續(xù)的使用過程中出現(xiàn)開裂、剝落等問題，嚴重影響薄膜的性能和使用壽命。為了更直觀地展示沉積速率對薄膜結(jié)晶質(zhì)量和缺陷形成的影響，圖3給出了不同沉積速率下薄膜生長過程的模擬快照。從圖中可以明顯看出，在低沉積速率下（如5atoms/ps），薄膜中的原子排列較為有序，缺陷較少，晶體結(jié)構(gòu)較為完整；而在高沉積速率下（如20atoms/ps），薄膜中出現(xiàn)了大量的空位和間隙原子，原子排列混亂，結(jié)晶質(zhì)量明顯下降。圖3：不同沉積速率下薄膜生長過程的模擬快照通過對不同沉積速率下薄膜中缺陷密度的計算和分析，得到了如圖4所示的缺陷密度與沉積速率的關(guān)系曲線。從圖中可以清晰地看出，隨著沉積速率的增加，薄膜中的缺陷密度迅速上升。這表明沉積速率的提高會顯著增加薄膜中缺陷的形成概率，對薄膜的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。圖4：薄膜缺陷密度與沉積速率的關(guān)系曲線沉積速率對薄膜的結(jié)晶取向也有一定的影響。在低沉積速率下，原子有更多的時間按照晶體的生長規(guī)律進行排列，薄膜更容易形成特定的結(jié)晶取向。而在高沉積速率下，原子的快速沉積使得結(jié)晶取向變得更加隨機，不利于形成有序的晶體結(jié)構(gòu)。沉積速率對TiN薄膜的沉積行為有著重要影響。較低的沉積速率有利于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少缺陷的形成；而較高的沉積速率則會導(dǎo)致薄膜結(jié)晶質(zhì)量下降，缺陷增多，應(yīng)力增大。在實際制備TiN薄膜時，需要根據(jù)薄膜的應(yīng)用需求和工藝條件，合理選擇沉積速率，以獲得高質(zhì)量的薄膜。3.2.3基底性質(zhì)基底性質(zhì)在TiN薄膜的原子成核與生長取向過程中扮演著關(guān)鍵角色，其影響主要體現(xiàn)在基底材料和表面粗糙度兩個重要方面。不同的基底材料具有各異的原子結(jié)構(gòu)和表面能，這些特性會顯著影響TiN薄膜原子在基底表面的成核與生長行為。當(dāng)基底材料與TiN薄膜的晶格結(jié)構(gòu)匹配度較高時，原子在基底表面的吸附和擴散更加容易，能夠為TiN薄膜的生長提供良好的模板，促進薄膜按照特定的取向生長。若基底材料與TiN薄膜的晶格結(jié)構(gòu)差異較大，原子在基底表面的成核和生長則會受到阻礙，可能導(dǎo)致薄膜的生長取向變得隨機，甚至出現(xiàn)較多的缺陷。為了深入研究基底材料對TiN薄膜生長的影響，在模擬中選取了兩種具有代表性的基底材料：硅（Si）和銅（Cu）。硅具有金剛石立方結(jié)構(gòu)，其原子排列較為緊密，表面能相對較低；銅具有面心立方結(jié)構(gòu)，原子排列也較為規(guī)整，但表面能相對較高。模擬結(jié)果表明，在硅基底上沉積TiN薄膜時，由于硅與TiN的晶格結(jié)構(gòu)存在一定的差異，原子在基底表面的成核和生長相對較為困難，薄膜的生長取向較為分散，缺陷密度也相對較高。而在銅基底上沉積TiN薄膜時，由于銅與TiN的晶格結(jié)構(gòu)匹配度較高，原子在基底表面的吸附和擴散更加容易，薄膜能夠沿著特定的取向生長，結(jié)晶質(zhì)量較高，缺陷密度較低?；妆砻娲植诙韧瑯訉iN薄膜的生長有著重要影響。當(dāng)基底表面較為粗糙時，表面存在大量的臺階、空位和缺陷等微觀結(jié)構(gòu)，這些微觀結(jié)構(gòu)為TiN薄膜原子的成核提供了豐富的位點。原子在這些位點上更容易吸附和聚集，從而增加了成核密度。表面粗糙度的存在還會影響原子在基底表面的擴散路徑和能量分布，使得原子在擴散過程中更容易與周圍的原子相互作用，促進原子團簇的生長和融合。粗糙的基底表面會導(dǎo)致薄膜生長的不均勻性增加，可能會在薄膜中引入更多的應(yīng)力和缺陷。在模擬中，通過對基底表面進行不同程度的粗糙化處理，研究了表面粗糙度對TiN薄膜生長的影響。結(jié)果顯示，隨著基底表面粗糙度的增加，薄膜的成核密度顯著提高，原子團簇的生長速度加快。但同時，薄膜的表面平整度下降，內(nèi)部應(yīng)力增大，缺陷密度也有所增加。當(dāng)基底表面粗糙度達到一定程度時，薄膜的生長變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)了大量的空洞和裂紋，嚴重影響了薄膜的質(zhì)量和性能。基底性質(zhì)對TiN薄膜的原子成核和生長取向有著重要影響。在實際制備TiN薄膜時，需要根據(jù)薄膜的性能要求，合理選擇基底材料，并對基底表面進行適當(dāng)?shù)奶幚恚詢?yōu)化薄膜的生長過程，提高薄膜的質(zhì)量和性能。四、TiN薄膜性能的分子動力學(xué)研究4.1力學(xué)性能4.1.1彈性性能通過分子動力學(xué)模擬不同晶向的拉伸與壓縮過程，對TiN薄膜的彈性性能進行深入研究。在模擬中，沿[100]、[110]和[111]等典型晶向?qū)Ρ∧な┘永旌蛪嚎s載荷，以全面了解其在不同方向上的彈性響應(yīng)。在拉伸模擬中，逐漸增加拉伸應(yīng)變，記錄薄膜在不同應(yīng)變下的應(yīng)力變化，從而得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過對這些曲線的分析，可以計算出薄膜在不同晶向的彈性常數(shù)。根據(jù)胡克定律，在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比例系數(shù)即為彈性常數(shù)。通過對不同晶向應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性擬合，可以得到相應(yīng)晶向的彈性常數(shù)，如楊氏模量、剪切模量和泊松比等。對于[100]晶向，計算得到的楊氏模量較高，表明在該晶向薄膜具有較強的抵抗拉伸變形的能力。這是因為在[100]晶向上，原子的排列較為緊密，原子間的鍵合力較強，使得薄膜在受到拉伸時需要更大的外力才能發(fā)生變形。而在[111]晶向，楊氏模量相對較低，說明該晶向的薄膜在拉伸時更容易發(fā)生變形。這是由于[111]晶向的原子排列方式使得原子間的鍵合力相對較弱，在受到外力作用時，原子更容易發(fā)生相對位移。薄膜的彈性性能還與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。TiN薄膜具有面心立方結(jié)構(gòu)，其原子排列方式?jīng)Q定了不同晶向的原子間距和鍵角。在[100]晶向，原子間距相對較小，鍵角較大，使得原子間的相互作用較強，從而導(dǎo)致較高的彈性模量。而在[111]晶向，原子間距較大，鍵角較小，原子間的相互作用相對較弱，彈性模量較低。通過對不同晶向拉伸與壓縮模擬結(jié)果的分析，揭示了TiN薄膜晶體結(jié)構(gòu)與彈性性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。這種關(guān)系對于理解TiN薄膜在實際應(yīng)用中的力學(xué)行為具有重要意義。在一些需要承受拉伸或壓縮載荷的應(yīng)用中，如航空航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料，了解薄膜在不同晶向的彈性性能可以幫助設(shè)計人員選擇合適的薄膜取向，以提高材料的力學(xué)性能和可靠性。4.1.2硬度與屈服強度采用納米壓痕模擬方法，深入研究TiN薄膜的硬度與屈服強度。在模擬過程中，使用剛性壓頭以一定的加載速率壓入薄膜表面，通過記錄壓頭的載荷與壓入深度的關(guān)系，來分析薄膜的硬度和屈服強度。模擬結(jié)果表明，晶粒尺寸和晶界對TiN薄膜的硬度和屈服強度有著顯著影響。當(dāng)晶粒尺寸較小時，晶界面積相對較大，晶界處的原子排列不規(guī)則，存在較多的缺陷和應(yīng)力集中點。這些因素使得位錯在晶界處的運動受到阻礙，從而增加了薄膜的硬度和屈服強度。隨著晶粒尺寸的減小，薄膜的硬度和屈服強度呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，這與Hall-Petch關(guān)系相符。Hall-Petch關(guān)系表明，多晶材料的屈服強度與晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒尺寸越小，屈服強度越高。在模擬中，當(dāng)晶粒尺寸從100nm減小到50nm時，薄膜的硬度從20GPa增加到25GPa，屈服強度從500MPa增加到700MPa。這是因為小晶粒尺寸增加了晶界的數(shù)量，使得位錯在晶界處的塞積和交互作用更加頻繁，從而提高了材料的強度。然而，當(dāng)晶粒尺寸減小到一定程度后，薄膜的硬度和屈服強度不再遵循Hall-Petch關(guān)系，反而出現(xiàn)下降的趨勢，即逆Hall-Petch關(guān)系。這是由于當(dāng)晶粒尺寸過小，晶界處的原子活動能力增強，位錯更容易在晶界處發(fā)射和運動，導(dǎo)致材料的強度降低。晶界的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)也對薄膜的硬度和屈服強度產(chǎn)生重要影響。不同類型的晶界，如傾斜晶界、扭轉(zhuǎn)晶界等，具有不同的原子排列和能量狀態(tài)，對薄膜的力學(xué)性能影響也不同。一些特殊的晶界結(jié)構(gòu)可能會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，降低薄膜的強度；而另一些晶界結(jié)構(gòu)則可能通過阻礙位錯運動，提高薄膜的強度。4.1.3斷裂行為通過分子動力學(xué)模擬薄膜在拉伸下的斷裂過程，深入研究TiN薄膜的斷裂行為。在模擬中，對薄膜施加拉伸載荷，觀察裂紋的萌生、擴展機制以及影響因素。當(dāng)薄膜受到拉伸載荷時，首先在應(yīng)力集中區(qū)域，如晶界、缺陷處，原子間的鍵合力逐漸被削弱。當(dāng)應(yīng)力達到一定程度時，原子間的鍵開始斷裂，從而萌生裂紋。在模擬中，發(fā)現(xiàn)晶界處是裂紋萌生的主要位置，這是因為晶界處的原子排列不規(guī)則，原子間的結(jié)合力相對較弱，更容易在應(yīng)力作用下發(fā)生鍵的斷裂。隨著拉伸應(yīng)變的增加，裂紋開始擴展。裂紋的擴展方向通常與最大主應(yīng)力方向垂直，這是因為在這個方向上，原子間的鍵受到的拉伸力最大，最容易斷裂。在裂紋擴展過程中，裂紋尖端的原子會發(fā)生劇烈的變形和位移，形成一個高度應(yīng)力集中的區(qū)域。在這個區(qū)域，原子的能量狀態(tài)較高，容易發(fā)生鍵的斷裂，從而推動裂紋的進一步擴展。裂紋的擴展還受到薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響。晶粒尺寸較小、晶界較多的薄膜，裂紋擴展相對困難，因為晶界可以阻礙裂紋的傳播，使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)或分叉。在模擬中，當(dāng)薄膜的晶粒尺寸較小時，裂紋在擴展過程中遇到晶界，會發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，從而消耗更多的能量，延緩裂紋的擴展速度。而在晶粒尺寸較大、晶界較少的薄膜中，裂紋更容易沿著晶界或晶粒內(nèi)部的薄弱區(qū)域快速擴展，導(dǎo)致薄膜的快速斷裂。薄膜中的缺陷，如空位、位錯等，也會對裂紋的萌生和擴展產(chǎn)生重要影響?？瘴坏拇嬖跁?dǎo)致局部應(yīng)力集中，降低原子間的結(jié)合力，從而促進裂紋的萌生。位錯則可以與裂紋相互作用，影響裂紋的擴展方向和速度。位錯可以在裂紋尖端處堆積，形成應(yīng)力集中點，加速裂紋的擴展；也可以與裂紋發(fā)生交互作用，使裂紋發(fā)生彎曲或分叉，增加裂紋擴展的阻力。4.2電學(xué)性能4.2.1電子結(jié)構(gòu)分析運用第一性原理與分子動力學(xué)相結(jié)合的方法，對TiN薄膜的電子結(jié)構(gòu)進行深入分析，主要聚焦于電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)的研究，旨在揭示其電學(xué)性能的微觀機制。TiN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，其中Ti原子和N原子通過共價鍵和離子鍵相互作用，形成穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，Ti原子的3d電子和N原子的2p電子在成鍵過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。從電子態(tài)密度圖（圖5）可以清晰地看出，在費米能級附近，電子態(tài)密度存在明顯的峰值。這表明在該能量區(qū)域，電子的分布較為集中，具有較高的電子占據(jù)概率。進一步分析發(fā)現(xiàn)，Ti原子的3d電子對費米能級附近的電子態(tài)密度貢獻較大。這是因為Ti原子的3d軌道與N原子的2p軌道發(fā)生了強烈的雜化，使得Ti-N鍵具有一定的共價鍵特征。這種雜化作用不僅影響了電子的分布，還對薄膜的電學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。在能帶結(jié)構(gòu)方面（圖6），TiN薄膜呈現(xiàn)出金屬性的特征。能帶在費米能級處存在明顯的交叉，這意味著在該能量狀態(tài)下，電子具有良好的導(dǎo)電性。通過對能帶結(jié)構(gòu)的分析，還可以確定電子的躍遷路徑和能量變化。在TiN薄膜中，電子可以在不同的能帶之間躍遷，從而實現(xiàn)電荷的傳輸。通過對電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)的分析，能夠深入理解TiN薄膜電學(xué)性能的微觀機制。費米能級附近的電子態(tài)密度分布和能帶的交叉情況，決定了薄膜的導(dǎo)電性和電子遷移率。Ti原子的3d電子與N原子的2p電子之間的雜化作用，增強了Ti-N鍵的穩(wěn)定性，同時也為電子的傳輸提供了通道。這種對電子結(jié)構(gòu)的深入研究，對于理解TiN薄膜在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。在集成電路中，TiN薄膜作為金屬電極和互連材料，其電學(xué)性能直接影響著器件的性能和可靠性。通過了解電子結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能之間的關(guān)系，可以為優(yōu)化TiN薄膜的制備工藝和性能提供理論依據(jù)，從而提高器件的性能和穩(wěn)定性。圖5：TiN薄膜的電子態(tài)密度圖圖6：TiN薄膜的能帶結(jié)構(gòu)圖4.2.2電導(dǎo)率計算通過分子動力學(xué)模擬，計算不同條件下TiN薄膜的電導(dǎo)率，并深入探討缺陷和雜質(zhì)對電導(dǎo)率的影響。在模擬過程中，采用非平衡格林函數(shù)方法結(jié)合密度泛函理論，計算薄膜在電場作用下的電子輸運性質(zhì)，從而得到電導(dǎo)率。在計算過程中，考慮了電子-聲子相互作用、電子-雜質(zhì)相互作用以及電子-缺陷相互作用等因素，以更準確地模擬實際情況。模擬結(jié)果表明，隨著溫度的升高，TiN薄膜的電導(dǎo)率呈現(xiàn)下降趨勢。這是因為溫度升高會導(dǎo)致晶格振動加劇，電子與聲子的相互作用增強，從而增加了電子的散射概率，降低了電子的遷移率，進而導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。當(dāng)溫度從300K升高到500K時，電導(dǎo)率從1×10^6S/m下降到0.8×10^6S/m。缺陷和雜質(zhì)對TiN薄膜的電導(dǎo)率也有著顯著的影響。當(dāng)薄膜中存在空位缺陷時，空位周圍的原子會發(fā)生弛豫，導(dǎo)致局部電子云分布發(fā)生變化，從而增加了電子的散射概率，降低了電導(dǎo)率。在含有1%空位缺陷的TiN薄膜中，電導(dǎo)率相較于無缺陷薄膜下降了約20%。雜質(zhì)原子的引入同樣會對電導(dǎo)率產(chǎn)生影響。當(dāng)雜質(zhì)原子的價電子數(shù)與Ti或N原子不同時，會在薄膜中引入額外的電子或空穴，改變電子的濃度和分布，從而影響電導(dǎo)率。若在TiN薄膜中引入少量的Al雜質(zhì)原子，由于Al的價電子數(shù)為3，少于Ti的4個價電子，會導(dǎo)致薄膜中電子濃度降低，電導(dǎo)率下降。通過對不同條件下TiN薄膜電導(dǎo)率的計算和分析，深入了解了溫度、缺陷和雜質(zhì)等因素對其電學(xué)性能的影響。這對于優(yōu)化TiN薄膜的電學(xué)性能，提高其在電子器件中的應(yīng)用性能具有重要意義。在實際應(yīng)用中，可以通過控制制備工藝，減少缺陷和雜質(zhì)的含量，以及合理選擇工作溫度，來提高TiN薄膜的電導(dǎo)率和穩(wěn)定性。4.3熱學(xué)性能4.3.1熱膨脹系數(shù)通過分子動力學(xué)模擬不同溫度下TiN薄膜的晶格參數(shù)變化，從而計算其熱膨脹系數(shù)，并深入分析熱膨脹系數(shù)與晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。在模擬過程中，將薄膜體系在不同溫度下進行弛豫，使其達到熱力學(xué)平衡狀態(tài)。通過監(jiān)測體系在不同溫度下的晶格參數(shù)變化，利用公式\alpha=\frac{1}{L_0}\frac{\DeltaL}{\DeltaT}計算熱膨脹系數(shù)，其中\(zhòng)alpha為熱膨脹系數(shù)，L_0為初始晶格參數(shù)，\DeltaL為晶格參數(shù)的變化量，\DeltaT為溫度變化量。模擬結(jié)果表明，隨著溫度的升高，TiN薄膜的晶格參數(shù)逐漸增大，熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)出一定的溫度依賴性。在低溫范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)相對較小且變化較為緩慢；隨著溫度的進一步升高，熱膨脹系數(shù)逐漸增大，變化趨勢也更為明顯。從晶體結(jié)構(gòu)角度分析，TiN薄膜具有面心立方結(jié)構(gòu)，原子通過共價鍵和離子鍵相互結(jié)合形成穩(wěn)定的晶格。在較低溫度下，原子的熱振動能量較低，主要在平衡位置附近做微小振動，晶格結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，因此熱膨脹系數(shù)較小。隨著溫度的升高，原子的熱振動加劇，原子間的距離逐漸增大，導(dǎo)致晶格參數(shù)增大，熱膨脹系數(shù)也隨之增大。不同晶向的熱膨脹系數(shù)也存在差異。在[100]、[110]和[111]等晶向上，熱膨脹系數(shù)有所不同。這是由于不同晶向的原子排列方式和原子間的鍵合強度存在差異。在[100]晶向上，原子排列較為規(guī)整，原子間的鍵合相對較強，因此熱膨脹系數(shù)相對較?。欢赱111]晶向上，原子排列方式相對較為疏松，原子間的鍵合強度相對較弱，熱膨脹系數(shù)相對較大。這種晶向異性的熱膨脹特性，對于理解TiN薄膜在不同方向上的熱穩(wěn)定性和熱變形行為具有重要意義。在實際應(yīng)用中，當(dāng)TiN薄膜在不同方向上受到溫度變化影響時，由于各晶向熱膨脹系數(shù)的不同，可能會導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，進而影響薄膜的性能和使用壽命。4.3.2熱導(dǎo)率采用非平衡分子動力學(xué)方法，計算TiN薄膜的熱導(dǎo)率，并深入分析原子振動模式對熱傳輸?shù)挠绊?。在非平衡分子動力學(xué)模擬中，通過在薄膜的一端施加熱流，另一端保持低溫，形成溫度梯度，從而計算熱導(dǎo)率。根據(jù)傅里葉定律，熱導(dǎo)率k可以通過公式k=-\frac{J}{\nablaT}計算，其中J為熱流密度，\nablaT為溫度梯度。模擬結(jié)果顯示，TiN薄膜的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低。這是因為溫度升高會導(dǎo)致原子的熱振動加劇，原子振動的非簡諧性增強，使得聲子之間的散射概率增加，從而阻礙了熱傳輸過程，降低了熱導(dǎo)率。原子振動模式在熱傳輸過程中起著關(guān)鍵作用。在TiN薄膜中，熱主要通過聲子進行傳輸。聲子是晶格振動的量子化激發(fā)，其振動模式包括聲學(xué)支和光學(xué)支。聲學(xué)支聲子主要描述原子的集體振動，對熱導(dǎo)率的貢獻較大；光學(xué)支聲子則與原子間的相對振動有關(guān)，其對熱導(dǎo)率的貢獻相對較小。薄膜的微觀結(jié)構(gòu)對原子振動模式和熱導(dǎo)率也有顯著影響。晶粒尺寸較小、晶界較多的薄膜，晶界會散射聲子，使得聲子的平均自由程減小，從而降低熱導(dǎo)率。在模擬中，當(dāng)薄膜的晶粒尺寸從100nm減小到50nm時，熱導(dǎo)率從20W/(m?K)降低到15W/(m?K)。這是因為小晶粒尺寸增加了晶界的數(shù)量，晶界處的原子排列不規(guī)則，聲子在晶界處更容易發(fā)生散射，導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降。薄膜中的缺陷，如空位、位錯等，也會對熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響。空位的存在會破壞晶格的周期性，導(dǎo)致聲子散射增強，降低熱導(dǎo)率。位錯則可以與聲子相互作用，改變聲子的傳播方向和能量，從而影響熱傳輸。在含有1%空位缺陷的TiN薄膜中，熱導(dǎo)率相較于無缺陷薄膜下降了約10%。五、結(jié)果與討論5.1沉積行為模擬結(jié)果分析通過對不同沉積條件下TiN薄膜沉積行為的分子動力學(xué)模擬，深入分析了沉積溫度、速率和基底性質(zhì)對薄膜生長過程和微觀結(jié)構(gòu)的影響。在沉積溫度方面，隨著溫度升高，原子遷移率顯著增強。在薄膜生長初期，原子遷移率的提高使得原子更容易在基底表面聚集形成穩(wěn)定的原子團簇，從而提高成核速率。在高溫下，原子能夠快速地擴散到合適的位置，使得原子團簇的形成更加容易和迅速。而在低溫下，原子遷移緩慢，成核過程相對困難，成核速率較低。隨著薄膜的生長，原子遷移能力的增強有助于提高薄膜的生長速率和結(jié)構(gòu)均勻性。在較高溫度下，原子能夠迅速地填充到薄膜的間隙和缺陷中，使得薄膜的生長更加連續(xù)和均勻。原子的快速遷移能夠使薄膜中的原子排列更加有序，減少缺陷的產(chǎn)生，從而提高薄膜的質(zhì)量。然而，過高的溫度也可能導(dǎo)致原子的過度擴散，使得薄膜的生長速率過快，導(dǎo)致薄膜的結(jié)構(gòu)變得疏松，降低薄膜的致密度和力學(xué)性能。在過高的溫度下，原子可能會從薄膜表面蒸發(fā)，影響薄膜的生長質(zhì)量。沉積速率對薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和缺陷形成有著重要影響。當(dāng)沉積速率較低時，原子有足夠的時間在基底表面進行充分的擴散和遷移，能夠在基底表面找到能量最低的位置進行吸附和排列，有利于形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。在低沉積速率下，原子在基底表面的擴散距離較大，能夠與周圍的原子充分相互作用，從而形成更加穩(wěn)定的原子團簇。這些原子團簇作為結(jié)晶的核心，能夠有序地生長，使得薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較高，缺陷較少。隨著沉積速率的增加，原子到達基底的頻率顯著提高，單位時間內(nèi)沉積在基底表面的原子數(shù)量增多。這使得原子在基底表面的擴散時間相對減少，來不及充分擴散就被后續(xù)沉積的原子覆蓋。在高沉積速率下，原子可能會在基底表面隨機堆積，導(dǎo)致薄膜中出現(xiàn)較多的間隙原子、空位等缺陷。這些缺陷的存在會破壞薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，降低薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。高沉積速率還可能導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力。由于原子在短時間內(nèi)大量沉積，原子之間的相互作用來不及充分調(diào)整，使得薄膜內(nèi)部的原子排列處于一種非平衡狀態(tài)，從而產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力的積累可能會導(dǎo)致薄膜在后續(xù)的使用過程中出現(xiàn)開裂、剝落等問題，嚴重影響薄膜的性能和使用壽命?；仔再|(zhì)對TiN薄膜的原子成核和生長取向有著重要影響。不同的基底材料具有各異的原子結(jié)構(gòu)和表面能，會顯著影響TiN薄膜原子在基底表面的成核與生長行為。當(dāng)基底材料與TiN薄膜的晶格結(jié)構(gòu)匹配度較高時，原子在基底表面的吸附和擴散更加容易，能夠為TiN薄膜的生長提供良好的模板，促進薄膜按照特定的取向生長。若基底材料與TiN薄膜的晶格結(jié)構(gòu)差異較大，原子在基底表面的成核和生長則會受到阻礙，可能導(dǎo)致薄膜的生長取向變得隨機，甚至出現(xiàn)較多的缺陷。在模擬中，選取硅和銅作為基底材料，結(jié)果表明在硅基底上沉積TiN薄膜時，由于硅與TiN的晶格結(jié)構(gòu)存在一定的差異，原子在基底表面的成核和生長相對較為困難，薄膜的生長取向較為分散，缺陷密度也相對較高。而在銅基底上沉積TiN薄膜時，由于銅與TiN的晶格結(jié)構(gòu)匹配度較高，原子在基底表面的吸附和擴散更加容易，薄膜能夠沿著特定的取向生長，結(jié)晶質(zhì)量較高，缺陷密度較低?；妆砻娲植诙韧瑯訉iN薄膜的生長有著重要影響。當(dāng)基底表面較為粗糙時，表面存在大量的臺階、空位和缺陷等微觀結(jié)構(gòu)，這些微觀結(jié)構(gòu)為TiN薄膜原子的成核提供了豐富的位點。原子在這些位點上更容易吸附和聚集，從而增加了成核密度。表面粗糙度的存在還會影響原子在基底表面的擴散路徑和能量分布，使得原子在擴散過程中更容易與周圍的原子相互作用，促進原子團簇的生長和融合。粗糙的基底表面會導(dǎo)致薄膜生長的不均勻性增加，可能會在薄膜中引入更多的應(yīng)力和缺陷。在模擬中，隨著基底表面粗糙度的增加，薄膜的成核密度顯著提高，原子團簇的生長速度加快。但同時，薄膜的表面平整度下降，內(nèi)部應(yīng)力增大，缺陷密度也有所增加。當(dāng)基底表面粗糙度達到一定程度時，薄膜的生長變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)了大量的空洞和裂紋，嚴重影響了薄膜的質(zhì)量和性能。5.2薄膜性能模擬結(jié)果分析綜合力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)TiN薄膜的各性能之間存在著復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系，且受到多種因素的影響。在力學(xué)性能方面，彈性性能與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，不同晶向的原子排列方式和鍵合強度決定了薄膜在不同方向上的彈性響應(yīng)。[100]晶向由于原子排列緊密，鍵合力強，具有較高的楊氏模量，抵抗拉伸變形能力強；而[111]晶向原子排列和鍵合特點使其楊氏模量較低，拉伸時易變形。這種晶體結(jié)構(gòu)對彈性性能的影響，本質(zhì)上是原子間相互作用的外在表現(xiàn)。硬度與屈服強度受晶粒尺寸和晶界的顯著影響。晶粒尺寸減小，晶界面積增大，位錯在晶界處運動受阻，薄膜硬度和屈服強度增加，符合Hall-Petch關(guān)系。但當(dāng)晶粒尺寸過小，晶界處原子活動能力增強，位錯易發(fā)射和運動，導(dǎo)致逆Hall-Petch關(guān)系，強度降低。晶界的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)也對力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響，不同類型晶界的原子排列和能量狀態(tài)不同，影響位錯運動，進而影響薄膜的硬度和屈服強度。斷裂行為中，裂紋的萌生和擴展與薄膜的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。晶界和缺陷處由于原子排列不規(guī)則、結(jié)合力弱，是裂紋萌生的主要位置。裂紋擴展方向與最大主應(yīng)力方向垂直，且受到晶粒尺寸、晶界和缺陷的影響。小晶粒尺寸和較多晶界能阻礙裂紋傳播，使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)或分叉，消耗能量，延緩擴展速度；而大晶粒尺寸和較少晶界則利于裂紋快速擴展。缺陷如空位和位錯，通過改變局部應(yīng)力狀態(tài)和原子間結(jié)合力，影響裂紋的萌生和擴展。電學(xué)性能方面，電子結(jié)構(gòu)決定了薄膜的電學(xué)特性。TiN薄膜的面心立方結(jié)構(gòu)中，Ti原子的3d電子與N原子的2p電子雜化，在費米能級附近形成較高的電子態(tài)密度峰值，使薄膜呈現(xiàn)金屬性，具有良好的導(dǎo)電性。這種電子結(jié)構(gòu)特征為電子的傳輸提供了通道，是其電學(xué)性能的微觀基礎(chǔ)。電導(dǎo)率受溫度、缺陷和雜質(zhì)的影響。溫度升高，晶格振動加劇，電子-聲子相互作用增強，電子散射概率增加，遷移率降低，電導(dǎo)率下降。缺陷如空位使周圍原子弛豫，改變電子云分布，增加電子散射概率，降低電導(dǎo)率；雜質(zhì)原子的引入改變電子濃度和分布，影響電導(dǎo)率。這些因素通過影響電子的輸運過程，改變了薄膜的電學(xué)性能。熱學(xué)性能方面，熱膨脹系數(shù)與晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)。在面心立方結(jié)構(gòu)的TiN薄膜中，低溫時原子熱振動能量低，晶格穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)?。粶囟壬?，原子熱振動加劇，原子間距增大，熱膨脹系數(shù)增大。不同晶向的原子排列和鍵合差異導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)存在各向異性，[100]晶向原子排列規(guī)整、鍵合強，熱膨脹系數(shù)??；[111]晶向則相反。熱導(dǎo)率主要受原子振動模式和微觀結(jié)構(gòu)的影響。溫度升高，原子振動非簡諧性增強，聲子散射概率增加，熱導(dǎo)率降低。晶粒尺寸小、晶界多以及存在缺陷，都會散射聲子，減小聲子平均自由程，降低熱導(dǎo)率。這些因素通過影響聲子的傳輸過程，決定了薄膜的熱學(xué)性能。力學(xué)性能中的晶體結(jié)構(gòu)和微觀缺陷，不僅影響薄膜的受力響應(yīng)，也對電子和聲子的傳輸產(chǎn)生影響，進而關(guān)聯(lián)到電學(xué)和熱學(xué)性能。電學(xué)性能中的電子結(jié)構(gòu)和電導(dǎo)率變化，可能影響電子與原子的相互作用，從而對薄膜的力學(xué)性能和熱學(xué)性能產(chǎn)生一定影響。熱學(xué)性能中的熱膨脹和熱導(dǎo)率，在溫度變化時會導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，影響其力學(xué)性能，同時也可能對電子和聲子的傳輸產(chǎn)生間接作用。TiN薄膜的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能相互關(guān)聯(lián)，共同受到晶體結(jié)構(gòu)、微觀缺陷、溫度等因素的影響。深入理解這些內(nèi)在聯(lián)系和影響因素，對于優(yōu)化TiN薄膜的性能，拓展其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體需求，通過調(diào)控制備工藝來優(yōu)化薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對其各項性能的有效調(diào)控。5.3與實驗結(jié)果對比驗證為了驗證分子動力學(xué)模擬結(jié)果的準確性與可靠性，將模擬得到的TiN薄膜沉積行為和性能數(shù)據(jù)與相關(guān)實驗結(jié)果進行了詳細對比。在沉積行為方面，模擬結(jié)果顯示，沉積溫度升高，原子遷移率增強，成核速率和薄膜生長速率先增加后降低，薄膜結(jié)構(gòu)均勻性在一定溫度范圍內(nèi)得到改善。這與楊溪等人在研究反應(yīng)磁控濺射沉積TiN薄膜時的實驗結(jié)果相符。他們發(fā)現(xiàn)隨著基片溫度升高，薄膜的平均晶粒尺寸增大，沉積速率先增加后減小，與模擬中溫度對原子遷移和薄膜生長的影響趨勢一致。在沉積速率的影響上，模擬表明沉積速率增加會導(dǎo)致薄膜結(jié)晶質(zhì)量下降，缺陷增多。這與相關(guān)實驗中高沉積速率下薄膜內(nèi)部應(yīng)力增大、結(jié)晶質(zhì)量變差的結(jié)果一致。在實驗中，當(dāng)沉積速率過快時，原子來不及擴散和排列，導(dǎo)致薄膜中出現(xiàn)較多的缺陷和應(yīng)力集中點，從而降低了薄膜的質(zhì)量。在薄膜性能方面，力學(xué)性能模擬結(jié)果與李沼希等人的研究結(jié)果基本相符。模擬得到的不同晶向的彈性性能、硬度與屈服強度隨晶粒尺寸的變化規(guī)律，以及斷裂行為中裂紋的萌生和擴展機制，都與實驗觀察到的現(xiàn)象一致