[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

摘要

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。

主权项

1.基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法，其特征是按照如下步骤进行：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；步骤三，模型的构建过程：在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，自由能方程为：f(c)表示驱动硅原子发生扩散的化学能量变化；表示系统表面能量变化；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：对于模型，相场变量通过Cahn‑Hilliard非线性扩散方程决定，并结合质量守恒关系得到如下控制方程：其中，由于激光照射产生的温度场扩散方程通过如下方程求解：其中，ρ为材料密度，λ表示比热，k表示导热系数；β表示的是热源的吸收系数，R是反射率，I₀为激光强度；基于上述数学模型，在仿真软件中进行仿真。