ISBN 978-3-8439-2066-7

978-3-8439-2066-7, Reihe Physik

Andreas Latz
Ein selbstlernendes Simulationsmodell für atomare Kinetik

176 Seiten, Dissertation Universität Duisburg-Essen (2015), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung atomarer Kinetik mit dem Schwerpunkt Elektromigration. Hierfür wurde ein realistisches und gleichzeitig effizientes dreidimensionales Modell zur Beschreibung der Oberflächendiffusion von Atomen entwickelt. Dieses basiert auf der ursprünglich zweidimensionalen selbstlernenden kinetischen Monte-Carlo-Methode, die für dreidimensionale Systeme mit beliebigen Oberflächenorientierungen erweitert wurde. Die Methode kombiniert aus einem realistischen Wechselwirkungspotential berechnete Diffusionsraten mit der Effizienz eines Ratenkatalogs. Einmal berechnete Raten werden in einer Datenbank gespeichert und können über die lokale Umgebung wieder den dazugehörigen Diffusionsprozessen zugeordnet werden. Die Performanz des neu entwickelten Modells bleibt dadurch vergleichbar mit einfacheren Modellen. Gleichzeitig können, ohne das Modell anzupassen, innerhalb eines großen Temperaturbereichs mit Experimenten übereinstimmende Simulationsergebnisse erzielt werden.

Die Elektromigration wurde in dem Modell durch eine von der lokalen elektrischen Feldstärke und der Richtung des Diffusionsprozesses abhängige Störung der Diffusionsraten implementiert. Zur Bestimmung des lokalen elektrischen Feldes während einer KMC-Simulation wurde ein effizienter, auf der Finiten-Differenzen-Methode basierender Algorithmus implementiert.

Das neu entwickelte Modell erlaubt die Simulation von Atom- und Leerstellenclustern unter dem Einfluss einer Elektromigrationskraft. Löcher, die einen monokristallinen Ag-Film komplett durchdringen, weisen abhängig von der Oberflächenstruktur und kristallographischen Orientierung des Ag-Films zur Elektromigrationskraft eine charakteristische Kontur in der Filmebene auf. Bei monolagigen Löchern und Inseln auf einer Ag(111)- und Ag(001)-Oberfläche wird die Abhängigkeit der Diffusionskonstanten und Driftgeschwindigkeit von der Clustergröße deutlich durch Gittereffekte beeinflusst. Zudem hängt die Driftrichtung und -geschwindigkeit von der Richtung der Elektromigrationskraft zur Kristallorientierung ab. Die Mobilität der Cluster weist die Symmetrie der Oberfläche auf und die Driftrichtung ist nur parallel zur Richtung der Elektromigrationskraft, wenn diese in eine Symmetrierichtung der Oberfläche zeigt.