专利摘要

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。

说明书

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，动力学包括热扩散、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F_d＝-▽u，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J_c＝-εMc▽T， 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J＝-M▽u-εM，定义硅原子的迁移率为：

对于本系统模型，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，u₁＝[4c³-6c²+2c-ch²▽²c+αcT]，由于激光照射产生的温度场扩散方程可通过如下方程求解：

上式中， β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。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、本发明提出了实验研究与仿真模拟相结合的方法对激光照射下的硅基表面形态进行研究。

2、本发明所用到的数学模型包含多种能量学和运动学，能有效地从能量角度来研究硅基表面形态的演变过程。

3、本发明所用到的数学模型不需要显示跟踪界面的位置，大大降低了计算的复杂性。

附图说明

图1为纳米结构硅基表面形态成形机理的简易示意图。

图2为实验装置下纳米结构硅基表面形态的简易示意图。

图3为phase-field model(相场模型)中包含的能量和运动的简易示意图。

图4A、4B、4C为硅基表面形态变化图。

图5是实验技术下的硅基表面形态。

图6是仿真技术下的硅基表面形态。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例进行详细说明。

对硅基板的硅基表面成型机理进行简单的介绍。当激光(频率是呈高斯分布的)照射硅基板的左端时，硅基表面会发生温度的变化，从而导致硅原子发生热扩散，并沿着一个方向发生定向移动，使其处在一个稳定的状态，最终形成了如图1所示的硅基表面形态。

在AFM(原子力显微镜)下搭建实验装置平台，主要包括微纳尺寸的硅夹具(硅制作的夹具，用于固定硅基板)和激光发射器。取一片微纳尺寸的硅基板，硅基板的右端夹在硅夹具上，用激光垂直照射硅基板的左端。实验装置如图2所示，实验具体步骤如下：

步骤一，将激光的功率P调到75mW,波长λ调到532nm,对硅基板的左端进行照射。

步骤二，激光照射硅基板10s。

步骤三，取下硅基板放在AFM(原子力显微镜)下进行观察，观察到的图像如图2所示。

本发明将提出一种三维phase-field model(相场模型)来模拟基于激光照射下硅原子的扩散行为和纳米结构硅基表面形态的演变过程。本发明的仿真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。

如图3所示，当硅基板接受激光照射时，系统的相场模型包含多种能量学和多种动力学；

所述的能量包括热能、化学能、表面能等。

所述的动力学包括热扩散、迁移等过程。

对于本系统的模型，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F_d＝-▽u，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，将硅基板置于有梯度变化的温度场时，硅原子的通量可以表示为J_c＝-εMc▽T， 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J＝-M▽u-εM。

定义硅原子的迁移率为：

对于本系统模型，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，u₁＝[4c³-6c²+2c-ch²▽²c+αcT]。由于激光照射产生的温度场扩散方程可通过如下方程求解：

上式中， β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phase-field model(相场模型)，在仿真软件中建立10.0×30.0×1.5um³的硅基模型，其中，硅基模型的导热率是150W/m-K，其余部分的导热率为0W/m-K。在该模型中，相临热源之间的距离是10um，如图4A所示。经过5秒模拟后，硅基板上就会成形出硅基表面形态，具体如图4B所示。经过10秒后，成形的硅基表面形态将达到稳定状态，具体如图4C所示。

图5是实验技术下的硅基表面形态，图6是仿真技术下的硅基表面形态，对比发现仿真的硅基表面形态和实验的硅基表面形态非常相似，验证了仿真的正确性。

以上实施例均为本发明的优选实施例。本邻域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改和变更，均落在本发明的保护范围内。

基于相场模型利用激光控制硅基表面形态的研究方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。