[发明专利]基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法

说明书

本发明公开了一种基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，按如下步骤进行：一、在原子力显微镜下，采用硅夹具将微纳结构的硅基板夹住；二、用激光对硅基板的悬空端照射数秒，观察硅基板的硅基表面形态并测量相对应的尺寸；三、在相场模型下模拟基于激光照射下的硅原子扩散行为和纳米结构硅基表面形态的演变过程。

技术领域

本发明属于纳米制造技术领域，具体涉及一种基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法。

背景技术

近年来，各个学科领域都坚持不懈的尝试着各种新的科学技术来设计和制造纳米结构硅基表面形态，并将其应用到各种微型机械装置当中，例如：传感器、谐振器等。截止目前，对于如何控制纳米结构硅基表面形态的研究仍然是一片空白。国内外的研究只是简单的描述了热处理作用下硅原子发生热扩散运动，从而形成硅基表面形态。

近年来，国内外学者致力于利用数学模型来分析和设计纳米结构硅基表面形态，但是早期的研究都是基于一维和二维的数学模型，这对理解硅基表面形态是有局限性的。相比传统的一维和二维的数学模型，本发明所提出来的phase-field model(相场模型)不需要显式跟踪界面移动的位置，因此大大降低了计算的复杂性。

发明内容

基于上述现状，本发明提出了一种基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法。

本发明包括实验与仿真两部分，具体采用的技术方案如下：

基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，按如下步骤进行：

一、在AFM(原子力显微镜)下，用硅夹具将微纳结构的硅基板夹住；

二、用激光对硅基板的悬空端照射数秒如10s，观察硅基板的硅基表面形态并测量相对应的尺寸；

三、在Phase-filed model(相场模型)下模拟基于激光照射下的硅原子扩散行为和纳米结构硅基表面形态的演变过程。

步骤一，硅夹具主要用于固定硅基板。

所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，步骤二，激光的功率P为75mW，波长λ为532nm。

所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，步骤三，系统的相场模型包含多种能量和动力。

所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，能量包括热能、化学能、表面能等。

所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，动力包括热扩散、迁移等过程。

所述的基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，步骤三，系统模型的构建过程：

在phase-field model(相场模型)中存在一种成分相硅，定义c为硅原子的体积分数，c(x,y,z,t)为一个在空间上和时间上的一个相场参数，通过测量c的体积分数在不同时间和不同位置上的数据变化，从而模拟出硅基表面原子的扩散行为和硅基表面形态的演变过程，根据Cahn-Hilliard模型，系统的自由能方程为：

f(c)表示的是驱动硅原子发生扩散的化学能量变化；

表示的是系统表面能量变化；

硅基表面原子发生定向移动的驱动力为其中u表示的是化学势，由u＝δG/δc决定，在激光照射的过程中，将硅基置于有梯度变化的温度场时，硅原子的通量可以表示为M＝Da/2k_βT。D为热扩散系数，k_β为波尔兹曼系数，a为界面面积。因此，硅原子的净通量为定义硅原子的迁移率为：