Моделирование напыления аморфных оптических пленок и исследование структурных особенностей, влияющих на их лучевую прочностьНИР

Simulation of deposition of amorphous optical films and study of structural features affecting their threshold of the laser induced damage

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 мая 2023 г.-31 декабря 2023 г. Моделирование напыления аморфных оптических пленок и исследование структурных особенностей, влияющих на их лучевую прочность
Результаты этапа: Предложенный ранее метод молекулярно-динамического моделирования осаждения тонких пленок из металлических мишеней адаптирован к случаю диэлектрических мишеней и применен к пленкам диоксида кремния. Возможность выхода из мишени не только атомов кремния, но и кластеров с атомами кислорода учтена добавлением в поток осаждаемых атомов молекул O=Si=O. Атомистические кластеры пленок получены как высокоэнергетическим, так и низкоэнергетическим напылением при различном процентном содержании молекул в потоке осаждаемых на подложку частиц. Если поток осаждаемых частиц движется перпендикулярно подложке, то введение в поток молекул O=Si=O приводит к уплотнению пленки. При низкоэнергетическом напылении (E(Si) = 0.1 эВ) увеличение плотности достигает 0.5 г/см3, что в два раза превышает аналогичный эффект при высокоэнергетическом напылении (E = 10 эВ). Такое уплотнение связано с изменением взаимной ориентации структурных тетраэдров SiO4, поскольку длина связей Si-O и угол Si-O-Si изменяются незначительно. Изменение показателя преломления вследствие уплотнения пленки достигает 0.025 для низкоэнергетических пленок. Рассчитаны величины компонент тензора напряжений. При высокоэнергетическом осаждении наблюдаются сжимающие напряжения, при низкоэнергетическом – растягивающие. Абсолютные значения диагональных компонент тензора напряжений растут с увеличением доли молекул в потоке осаждаемых частиц. Выполнено моделирование осаждения (напыления) под большими углами. При угле напыления α = 60 град. плотность пленки меняется примерно так же, как и при нормальном напылении. В случае α = 70 град. увеличение доли молекул O=Si=O приводит к разнонаправленным изменениям зависимости плотности пленки от ее толщины. Проведено классическое молекулярно-динамическое моделирование напыления тонких пленок ZnO. Начальная энергия осаждаемых на подложку атомов Zn равна 10 эВ, энергия атомов кислорода — 0.1 эВ. Эти параметры удовлетворяют условиям высокоэнергетического напыления. Значения углов напыления равны 0 (нормальное напыление), 70 град (напыление под большим углом) и 40 град. (промежуточное значение угла напыления). Показано, что нормальное напыление приводит к образованию плотной пленки ZnO. Увеличение угла до 40 град. приводит к образованию пор и увеличению доли свободного объема до 4% от 0% при нормальном напылении. Дальнейшее увеличение угла напыления до 70 град приводит к образованию наноструктурированной пленки с наклонными столбцами. Доля свободного объема увеличивается до 40% за счет пустого объема между столбцами. Моделирование проводится с использованием параллельных вычислений на 32 ядрах. По оценкам, эффективность распараллеливания составляет около 90%. Проведено исследование эффективности и точности МД-моделирования тонких пленок диоксида кремния для различных параметров метода Particle Mesh Ewald (PME) с использованием программы GROMACS. Для моделирования используются два кластера, представляющие собой изотропную плотную и анизотропную пористую пленки. Выявлено, что увеличение параметра fourierspacing с 0.05 до 0.2 нм сокращает время моделирования в 2-3 раза. Это уменьшение сопровождается ростом дальнодействующего слагаемого в электростатической энергии. Рост параметра interpolation order с 4 (значение по умолчанию) до 12 приводит к увеличению времени моделирования примерно на порядок. Таким образом, высокое значение interpolation order следует использовать только тогда, когда требуется высокая точность моделирования. Для всех значений исследованных параметров PME короткодействующее слагаемое электростатической энергии отрицательно. Значения основных компонент тензора давления изменяются в пределах нескольких процентов при изменении параметров fourierspacing и interpolation order в исследуемом интервале. Эффективность параллельных вычислений снижается незначительно с увеличением числа вычислительных ядер с 8 до 64. Проведено атомистическое исследование аморфных композитных оксидов HfO2-SiO2 для объяснения экспериментально наблюдаемого аномального поведения показателя преломления с увеличением содержания Si. Аномальное поведение заключается в том, что высокий показатель преломления HfO2 еще больше увеличивается при добавлении диоксида кремния, имеющего низкий показатель преломления. Использован метод получения аморфных состояний высокотемпературных оксидов путем плавления-закалки исходного кристалла HfO2, содержащего различное количество примесных атомов Si. Расчеты проведены методом квантовой молекулярной динамики. Координационные числа атомов Hf, Si и O рассчитаны при различных уровнях легирования. Изменение атомной структуры a-HfO2 и его плотности в зависимости от уровня легирования объясняет аномальное поведение показателя преломления. Впервые проведено моделирование методами квантовой молекулярной динамики атомистической и электронной структуры ламинатных квантовых нанослоёв Ta2O5 в диоксиде кремния. Показано, что электронный спектр, в частности запрещенная зона, существенно зависит от того, как атомы Ta распределены в диоксиде кремния: равномерно распределены в матрице диоксида кремния, или сгруппированы в нанослои Ta2O5. Исследование свойств таких квантовых нанослоёв может привести к созданию нового класса оптических покрытий.
2 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Моделирование напыления аморфных оптических пленок и исследование структурных особенностей, влияющих на их лучевую прочность
Результаты этапа: Разработана система моделирования переходной области между двумя слоями оптических пленок. В результате МД моделирования впервые получены атомистические кластеры технологически значимых размеров с переходной областью между диоксидом кремния (SiO2, материал с низким показателем преломления) и диоксидом титана (TiO2, материал с высоким показателем преломления). Размеры кластера в плоскости подложки 13,8 нм × 13,8 нм, вертикальный размер (толщина пленки) около 30 нм, из которых 20 нм составляет толщина подложки и пленки диоксида титана, и 10 нм – толщина пленки диоксида кремния, которая напыляется поверх пленки диоксида титана. Разработано силовое поле для моделирования переходной области, которое помимо параметров для диоксида титана и диоксида кремния содержит параметры, описывающие взаимодействие атомов кремния и титана. Эти параметры получены с использованием комбинационных правил. По профилям плотности определена толщина переходной области – около 3 нм, что близко к толщине переходной области между пленкой и вакуумом. Длины связи и валентные углы в переходном слое близки к тем, которые получены для отдельных слоев диоксида кремния и диоксида титана. Наиболее распространенные типы точечных дефектов в переходных слоях следующие: атомы кислорода, титана и кремния с координацией, отличной от типичной для слоев TiO2 и SiO2, атомы кислорода, связанные как с атомами кремния, так и с атомами титана. В переходных слоях в заметных концентрациях наблюдаются атомы титана с координацией от 5 до 7, атомы кремния – от 3 до 5, атомы кислорода – от 1 до 4. В переходной области в два раза увеличивается доля недокоординированных атомов кислорода, связанных с титаном. Доля атомов кислорода, имеющих связи как с атомами кремния, так и с атомами титана, доходит до 10%. Перечисленные атомы следует рассматривать как точечные дефекты, которые могут обладать оптической активностью. По результатам молекулярно-динамического моделирования получено, что отжиг пленки с переходным слоем приводит к увеличению ее толщины. Разработана версия силового поля DESIL для Ta2O5 (пленкообразующий материал с высоким показателем преломления), воспроизводящая основные структурные характеристики аморфного Ta2O5: плотность, координацию атомов тантала и кислорода, положение пиков радиальной функции распределения, длину связи Та-О. Силовое поле может быть использовано при моделировании напыления пленок Ta2O5, а также переходных слоев между пленками различного состава. С помощью МД моделирования впервые продемонстрирован эффект частичной компенсации положительных (растягивающих) напряжений в пленках TiO2 и отрицательных (сжимающих) напряжений в пленках SiO2. Этот эффект объясняет низкие напряжения, обнаруженные экспериментально в пленках TiO2-SiO2. При исследовании напряжений в пленках TiO2-SiO2, вызванных их нагревом (например, лазерным излучением) получено, что при температуре около 500 К тип напряжения меняется с растягивающего (положительный знак) на сжимающий (отрицательный знак). Дальнейший нагрев вначале приводит к почти линейному росту абсолютных значений напряжений, но затем эти значения достигают максимума и начинают уменьшаться, что объясняется размягчением пленки. Впервые показана возможность моделирования переходного слоя и границы раздела аморфных Ta2O5 и SiO2 методами квантовой молекулярной динамики с помощью функционала плотности. Для периодических граничных условий получена суперячейка, содержащая 234 атома, моделирующая аморфную двухслойную систему Ta2O5–SiO2, которая имеет хорошо определенную границу раздела этих двух материалов, сформированную мостиками Ta–O–Si. Аморфное состояние этой системы получено с помощью молекулярно-динамического моделирования методом расплавления-закалки при скоростях нагрева и закалки 0.5 К/фс и при стабилизации расплава при 3000 К и 2300 К. Окно пропускания такой системы (запрещенная зона) определяется материалом с наименьшей шириной запрещенной зоны, в данном случае – аморфным слоем Ta2O5, и равна Eg = 2.7 эВ при использовании функционалов PBE и при вычислении Eg = E(LUMO) – E(HOMO), где LUMO – низшая незаполненная электронами молекулярная орбиталь, HOMO – высшая заполненная двукратно электронами молекулярная орбиталь. При сравнении с экспериментами надо иметь в виду, что при таком вычислении запрещенной зоны для функционалов PBE получаются несколько заниженные значения. Впервые с помощью метода функционала плотности (DFT) проведены расчеты вакансии кислорода, расположенной на поверхности раздела аморфных слоев Ta2O5 и SiO2. Показано, что при образовании вакансии кислорода два соседних с вакантным кислородным узлом атома образуют между собой ковалентную связь Si–Ta. При этом наинизшая энергия электронных переходов уменьшается от 2.7 эВ в бездефектной структуре до 1.1 эВ при наличии кислородной вакансии. Это уменьшение энергии оптических переходов происходит за счет появления вблизи середины запрещенной зоны Ta2O5 заполненного двумя электронами состояния, сформированного в основном за счет связывающей комбинации орбиталей соседних с вакантным узлом атомов Si и Ta. Электронный переход с наименьшей энергией происходит из этого состояния вакансии вблизи середины запрещенной зоны на d-орбитали атомов Ta, формирующих дно зоны проводимости рассматриваемой системы. Таким образом, показано, что наличие кислородной вакансии типа Si–Ta на границе раздела аморфных оксидов Ta2O5 и SiO2 должно приводить к поглощению лазерного излучения в ИК диапазоне в окне прозрачности такого бездефектного двуслойного покрытия. Это поглощение должно способствовать снижению порога лазерного пробоя. Впервые с помощью метода функционала плотности (DFT) проведены расчеты немостикового атома кислорода, находящегося в слое аморфного диоксида кремния вблизи его границы с аморфным Ta2O5. Немостиковый атом кислорода даёт в запрещенной зоне рассматриваемой системы два заполненных двукратно электронами состояниям: одно находится вблизи потолка валентной зоны, а второе вблизи уровня Ферми. Показано, что электронный переход с p-орбитали немостикового атома кислорода на d-орбитали атомов Ta обуславливает оптическое поглощение в ближнем ИК диапазона с энергией перехода 0.81 эВ. Сила осциллятора такого перехода определяется перекрыванием p-орбитали немостикового атома кислорода и d-орбитали ближайшего к нему атома Ta. Такой переход может приводить к заметному поглощению в окне пропускания двухслойной системы Ta2O5–SiO2, если немостиковый атом кислорода находится вблизи границы раздела этих двух материалов. Это поглощение должно приводить к снижению порога лазерного пробоя.
3 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Моделирование напыления аморфных оптических пленок и исследование структурных особенностей, влияющих на их лучевую прочность
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".