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1、华中科技大学 硕士学位论文 FCC金属原子间相互作用势及“Z”形铜纳米带分子动力学研究 姓名：王艳葵 申请学位级别：硕士 专业：材料物理与化学 指导教师：魏合林 20080608 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 目前集成电路中铜互连线的尺寸已经达到纳米量级。在这样微小尺度下，材 料的结构更容易受温度和机械应力的影响发生形变。 本文利用分子动力学方法研 究铜互连线的微缩模型“Z”形铜纳米带，在机械拉伸作用下的结构变化。 分子动力学方法的关键因素为原子间相互作用势的准确性。 而互连线的主导 材料为面心立方（Face-Cen
2、tered-Cubic，FCC）金属，本文从经典的对势模型 Lennard-Jones 势和 Morse 势出发，对在 FCC 金属中得到广泛应用的嵌入原子 （Embedded Atom Method，EAM）势进行综述，发现如 Johnson 分析型 EAM 势 具有形式简便，计算效率高的优点，Mishin 等的 EAM 势拟合了众多实验数据和 从头算计算结果，对 FCC 金属的描述非常精确。 本课题另一研究工作为对“Z”形铜纳米带在机械拉伸中结构的变化进行了 分子动力学研究。通过对纳米带的模拟机械拉伸发现，10.0K 时，持续的机械拉 伸使得应力在“Z”形铜纳米带的拐角处大量累积，累积的应
3、力促使位错原子成 核，然后位错在111面进行扩散，直至整个原子层面发生滑移堆错。在“Z”形 的一个拐角处，111面的滑移堆错使得原来100晶面取向转变为111和 110取向。而另一个拐角处则全部转变为111晶向，但是转变区域被“锁 定” 在三角形范围内， 这种现象由罗曼-柯垂尔位错 （Lomer-Cottrell lock，L-C lock） 导致。当系统的温度从100.0K到600.0K范围内变化时，发现L-C lock在“Z” 形铜纳米带的两个拐角处对称出现。随着拉伸的进行，累积的应力使得“Z”形 两拐角处出现双L-C lock形貌， 最后， 双L-C lock并合成一个大角度的L-C l
4、ock， 这种现象在100.0K到500.0K温度范围内带有普遍性。同时，温度越高，纳米带 中位错出现越早。 关键词关键词：分子动力学方法；嵌入原子势；面心立方金属；晶面取向变化； 罗曼-柯垂尔位错 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Presently, the dimension of interconnects in Integration Circuits has been reduced to a nanometer scale, and materials are apt to undergo a
5、structural transformation under such tiny size by the effect of temperatures and mechanical stress. We adopt molecular dynamics (MD) simulation to investigate the structural transformation of a miniaturized Z-shaped model of practical copper interconnects. A key factor in MD simulation is the accura
6、cy of interatomic potentials. As face-centered-cubic (FCC) metals are widely applied in interconnects, various potentials are summarized in this research to obtain an explicit image about MD method. Besides classical pairwise potentials such as Lennard-Jones potential and Morse potential, embedded a
7、tom method (EAM) becomes a primary choice in many potential styles for its perfect application in FCC metals. Johnson analytic EAM combines the virtues of a concise expression and efficient calculations. Fitting tremendous experimental results and calculations from ab intio, the EAM presented by Mis
8、hin et al describes interatomic behaviors in FCC metals precisely. A research is conducted to study the structural transformation of Z-shaped copper nanobelt during a mechanical elongation by MD simulation. Continuous mechanical loading accumulates much stress in the two corners of the Z-shaped nano
9、belt, and the stress drives the dislocation atoms nucleating in the 111planes. Propagation of dislocation atoms will dominate a slippage of a whole 111plane. At 10.0K, in one corner of Z-shaped nanobelt, these slippages transform the initial 100orientation into 111and 110orientations, and in the oth
10、er corner into all 111orientation, whereas the latter reorientation, induced by Lomer-Cottrell lock (L-C lock), is limited in a triangular region. When temperature ranges from 100.0K to 500.0K, there is a universal reorientation. Firstly, L-C lock emerges symmetrically in both corners of the nanobel
11、t. Secondly, further elongation forms an atomic configuration of double L-C locks. At last, the double L-C locks are incorporated into 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III a large-angle L-C lock. The simulating results also show the fact that the time of the dislocation emergence depe
12、nds on temperatures strongly. Key words: molecular dynamics simulation; embedded-atom method; face-entered-cubic metal; reorientation; Lomer-Cottrell lock 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结
13、果由本人承 担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华
14、 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 纳米材料和纳米技术 1.1.1 纳米材料的定义和纳米效应 按照国际计量标准，1 纳米（nanometer, nm）=10 -9米。一根头发的直径为 50 微米，而1nm就是一根头发直径的五万分之一1。 纳米尺度的粒子早已存在。比如，中国古代的徽墨粒子，出土铜镜涂层中的 粒子，已在轮胎中使用了100年用作增强剂的炭黑颗粒等，疫苗（它常含有一种 或数种纳米尺度的蛋白质）也可能挤身于纳米之列。最早提出纳米科学和技术问 题的是美国著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼(Richard P Feynman)。 1959 年 12 月 2
15、9 日，费曼在美国加州理工学院发表了一篇题为There is plenty of rooms at the bottom的演说，其中提到“为什么我们不能把 24 卷大英百科全书写 到一个针尖上去呢？”并说： “一个针尖大约是 1/16 英寸，把它作为直径放大 25000 倍，放大后的面积与大英百科全书的全部页数相等，所以只要书写时缩小 25000 倍。人眼的分辨率为 1/20 英寸，此数值与大英百科全书印刷的一个亮点 的直径相当，将它缩小 25000 倍，达 8nm，可排列 32 个金属原子，也就是说， 每个点可以包含 1000 个原子，这是可以做到的。 ”而在半个世纪后的今天，费曼 的预言已
16、经实现了，纳米技术已是全世界范围内材料研究的热点问题，也成为了 各国科学技术竞争的目标之一。 20世纪90年代以前，人们曾经把粒径在0.1nm100nm范围内的粉末材料 定义为纳米材料，现在我们认为，空间尺度至少一维处于纳米量级的材料即为纳 米材料。几种典型的纳米材料为：纳米颗粒型材料，纳米固体材料，纳米薄膜材 料，纳米磁性液体材料。纳米材料主要用在陶瓷、微电子、生物工程、光电、化 工、医学和分子组装等方面。 当粒径小于100nm以后，粒子表面的原子数与内部原子数目可比拟，这将 导致材料的结构和能态发生变化，会产生许多独特的光、电、磁、力学等物理化 学性能。总的来说，纳米材料有以下四大效应：表面效应、小尺寸效应、量子尺
