Редактирование: Моделирование поверхностной диффузии кремния методом молекулярной динамики
Внимание! Вы не авторизовались на сайте. Ваш IP-адрес будет публично видимым, если вы будете вносить любые правки. Если вы войдёте или создадите учётную запись, правки вместо этого будут связаны с вашим именем пользователя, а также у вас появятся другие преимущества.
Правка может быть отменена. Пожалуйста, просмотрите сравнение версий, чтобы убедиться, что это именно те изменения, которые вас интересуют, и нажмите «Записать страницу», чтобы изменения вступили в силу.
Текущая версия | Ваш текст | ||
Строка 1: | Строка 1: | ||
− | + | * Введение | |
В рассматриваемой работе описывается компьютерная модель, | В рассматриваемой работе описывается компьютерная модель, | ||
позволяющая рассчитывать поведение кристалла кремния, имеющего | позволяющая рассчитывать поведение кристалла кремния, имеющего | ||
Строка 9: | Строка 9: | ||
1,1,1 и моделирование диффузии атомов на поверхности 1,1,1. | 1,1,1 и моделирование диффузии атомов на поверхности 1,1,1. | ||
− | + | * Описание метода молекулярной динамики | |
В основе применения метода молекулярной динамики для численных | В основе применения метода молекулярной динамики для численных | ||
экспериментов лежит интегрирование уравнений движения частиц, – | экспериментов лежит интегрирование уравнений движения частиц, – | ||
Строка 17: | Строка 17: | ||
рассматриваемой среды. | рассматриваемой среды. | ||
− | + | * Задание свойств атомов кремния | |
Силы взаимодействия между атомами кремния в кристалле весьма | Силы взаимодействия между атомами кремния в кристалле весьма | ||
сложны, что обусловлено структурой электронных оболочек атомов. | сложны, что обусловлено структурой электронных оболочек атомов. | ||
Строка 35: | Строка 35: | ||
рассматриваемом кристалле. В описываемой компьютерной модели | рассматриваемом кристалле. В описываемой компьютерной модели | ||
используется [[Потенциалы Терсоффа, Бреннера|эмпирический потенциал взаимодействия Терсофа]] для | используется [[Потенциалы Терсоффа, Бреннера|эмпирический потенциал взаимодействия Терсофа]] для | ||
− | атомов кремния | + | атомов кремния [1], [2]. Потенциал Терсоффа относится к многочастичным |
− | к | + | потенциалам [3]. Так же, как вышеупомянутые потенциалы, многочастичные |
− | |||
потенциалы представляются в виде суммы слагаемых по всем парам | потенциалы представляются в виде суммы слагаемых по всем парам | ||
частиц, но каждое слагаемое зависит и от положения других частиц. | частиц, но каждое слагаемое зависит и от положения других частиц. | ||
− | + | * Описание компьютерной модели | |
Компьютерный эксперимент производится посредством вычисления | Компьютерный эксперимент производится посредством вычисления | ||
радиус векторов и векторов скорости частиц в зависимости от | радиус векторов и векторов скорости частиц в зависимости от | ||
Строка 51: | Строка 50: | ||
<math> | <math> | ||
− | \underline{v} (t + \tau / 2) = \underline{v} (t - \tau / 2) + \underline{w} (t) \tau | + | \bf{\underline{v}} (t + \tau / 2) = \underline{v} (t - \tau / 2) + \underline{w} (t) \tau |
</math> | </math> | ||
<math> | <math> | ||
− | \underline{r} (t + \tau) = \underline{r} (t) + \underline{v} (t + \tau / 2) \tau | + | \bf{\underline{r}} (t + \tau) = \underline{r} (t) + \underline{v} (t + \tau / 2) \tau |
</math> | </math> | ||
− | где <math>\tau</math> – шаг интегрирования. Ускорение <math>\underline{w}(t)</math> | + | где <math>\tau</math> – шаг интегрирования. Ускорение <math>\bf{\underline{w}}(t)</math> |
вычисляется через силу в тот же момент времени. В начальный | вычисляется через силу в тот же момент времени. В начальный | ||
момент времени задается отсчетная конфигурация. Это может быть | момент времени задается отсчетная конфигурация. Это может быть | ||
Строка 64: | Строка 63: | ||
1,1,1. Конфигурация представляет собой идеальную решетку структуры | 1,1,1. Конфигурация представляет собой идеальную решетку структуры | ||
алмаза. Межатомное расстояние вычисляется аналитически, с помощью | алмаза. Межатомное расстояние вычисляется аналитически, с помощью | ||
− | минимизации функции потенциальной энергии | + | минимизации функции потенциальной энергии [[Потенциалы Терсоффа, Бреннера|Потенциал Терсоффа]]. Для идеальной |
решетки все слагаемые <math>V_{ij}</math> равны между собой. Кроме того, | решетки все слагаемые <math>V_{ij}</math> равны между собой. Кроме того, | ||
для всех углов <math>\theta_{ijk} \quad \cos \theta_{ijk} = 1/3</math>. Это позволяет | для всех углов <math>\theta_{ijk} \quad \cos \theta_{ijk} = 1/3</math>. Это позволяет | ||
Строка 89: | Строка 88: | ||
координаты измеряются в ангстремах, единица времени составляет | координаты измеряются в ангстремах, единица времени составляет | ||
− | + | <math>\mbox{\AA} \sqrt{\frac{m}{\mbox{eV}}} = 5.39523 \cdot 10^{-14}</math> с | |
где <math>m = 28.0855 \cdot 1.66054 \cdot 10^{-27}</math> кг – | где <math>m = 28.0855 \cdot 1.66054 \cdot 10^{-27}</math> кг – | ||
− | масса атома кремния, | + | масса атома кремния, <math>\mbox{\AA} = 10^{-10}</math> м – ангстрем, |
<math>\mbox{eV} = 1.60218 \cdot 10^{-19}</math> Дж – электрон-вольт. | <math>\mbox{eV} = 1.60218 \cdot 10^{-19}</math> Дж – электрон-вольт. | ||
Минимальный период колебаний решетки в этих единицах – величина | Минимальный период колебаний решетки в этих единицах – величина | ||
Строка 149: | Строка 148: | ||
принимали структуру, близкую к плотноупакованной решетке. | принимали структуру, близкую к плотноупакованной решетке. | ||
− | + | * Вычисление температуры | |
Количественное выражение для температуры в | Количественное выражение для температуры в | ||
экспериментах связано с представлениями об идеальном газе, в | экспериментах связано с представлениями об идеальном газе, в | ||
Строка 169: | Строка 168: | ||
соответственно, температура. | соответственно, температура. | ||
− | + | * Нагрев кристалла | |
− | |||
На этапе отладки и тестирования программы, использующей | На этапе отладки и тестирования программы, использующей | ||
вышеописанный метод, проводились эксперименты, связанные в | вышеописанный метод, проводились эксперименты, связанные в | ||
Строка 182: | Строка 180: | ||
Ниже приведены графики изменения кинетической (1) и полной (2) | Ниже приведены графики изменения кинетической (1) и полной (2) | ||
энергии, значения на вертикальной шкале переведены в Кельвины. | энергии, значения на вертикальной шкале переведены в Кельвины. | ||
+ | Виден горизонтальный участок кривой при 1800 К, на котором, | ||
+ | видимо, происходит плавление. | ||
− | + | \showpix{image091}{396}{414}{5} | |
− | + | ||
− | + | * Свободная поверхность 1,0,0 | |
Ниже приведены результаты компьютерного эксперимента по нагреванию | Ниже приведены результаты компьютерного эксперимента по нагреванию | ||
кремниевой пластины с поверхностью 1,0,0. Верхняя грань кристалла, | кремниевой пластины с поверхностью 1,0,0. Верхняя грань кристалла, | ||
Строка 194: | Строка 194: | ||
равных 1000 единиц времени (см. "Описание компьютерной модели"). | равных 1000 единиц времени (см. "Описание компьютерной модели"). | ||
Нагревание проводилось с помощью сообщения случайных приращений | Нагревание проводилось с помощью сообщения случайных приращений | ||
− | скоростей атомам на каждом шаге интегрирования, охлаждение | + | скоростей атомам на каждом шаге интегрирования, охлаждение --- с |
помощью введения диссипативных внешних сил, действующих на каждый | помощью введения диссипативных внешних сил, действующих на каждый | ||
− | атом. На рисунках изображены состояния до и после нагревания до | + | атом. На рисунках изображены состояния до и после нагревания до 700 К. |
На первом рисунке видны ряды атомов поверхности пластины, | На первом рисунке видны ряды атомов поверхности пластины, | ||
Строка 205: | Строка 205: | ||
поведение поверхности 1,0,0, наблюдаемое в реальных экспериментах. | поведение поверхности 1,0,0, наблюдаемое в реальных экспериментах. | ||
− | + | [[Файл:image092.png|thumb|Рис.1. Вид кристалла Si. Идеальная решетка (перед нагреванием).]] | |
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | [[Файл: | ||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | + | [[Файл:image094.png|thumb|Рис.1. Рис.2. Вид кристалла Si после нагревания.]] |