CN108154004A - 基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法 - Google Patents

基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法，属于薄膜生长理论技术领域，具体涉及过渡层选择方法。本发明首先对选取的若干过渡层材料建立界面模型；然后计算无过渡层存在时的界面性能，判定是否需要过渡层；如需要过渡层，分别计算选取的不同材料作为过渡层时，衬底/过渡层和过渡层/薄膜的界面性能，并根据界面处净电荷量变化量和原子间化学键布居数，对过渡层对衬底和过渡层对薄膜的结合力进行综合评价并排序；根据排序结果选择前2～3种过渡层材料。本发明解决了现有技术确定是否需要过渡层，以及选取何种材料作为过渡层时，存在耗时长、浪费人力物力的问题。本发明可运用于薄膜的制备。

Description

基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择 方法
技术领域
本发明属于薄膜生长理论技术领域，具体涉及过渡层选择方法。
背景技术
薄膜的制备过程中会与衬底之间形成界面，界面的性能，特别是薄膜与衬底之间的结合力对薄膜的制备和薄膜的性能发挥有重要影响。如果薄膜不能很好地结合在衬底上，不仅在制备过程中需要更加苛刻的条件，而且制备出的薄膜比较容易发生脱落，从而影响到其性能的有效发挥。对于外延薄膜，如果和衬底之间缺乏良好的结合，还会造成取向的偏差，甚至难以形成外延，制备的薄膜为多晶形态。
功能性氧化物薄膜在有氧化层的Si衬底上的生长就是一个很常见的例子。功能性氧化物单晶，特别是MgO、SrTiO3和钇稳定氧化锆(YSZ)等金属氧化物，由于在微电子器件制造等领域的潜在应用而受到了研究者的关注。但是单晶材料价格昂贵，并考虑到电子器件与Si材料的集成，需要在Si上外延生长功能性氧化物材料。然而，大部分氧化物在Si衬底上直接生长比较困难，有些氧化物的在较高温度下存在和Si衬底成分渗透的问题。同时，由于存在晶格失配、晶体结构差别、热膨胀系数不协调等问题，有些氧化物薄膜与Si衬底之间的界面十分脆弱，结合力较低，存在较大的残余应力，直接在Si衬底上直接制备难以得到高质量的金属氧化物薄膜。
为了解决这些问题，通常可以在衬底和薄膜之间沉积一层过渡层2(如图1所示)，增强薄膜3与衬底1之间的结合力，提高薄膜的生长质量。例如，在Si衬底上制备功能性氧化物薄膜时，常使用TiN薄膜作为过渡层，提高氧化物薄膜与Si衬底之间的界面结合力。但是，衬底材料及薄膜材料种类繁多，对于某种特定的衬底材料和特定的薄膜材料，是否需要过渡层、需要何种材料作为过渡层难以确定，现有方法主要是对可能的过渡层材料一一进行实验，会浪费大量的人力物力，并且耗费时间长。
发明内容
本发明为解决现有技术确定是否需要过渡层，以及选取何种材料作为过渡层时，存在耗时长、浪费人力物力问题，进而提供了基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法。
本发明所述基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法，通过以下技术方案实现：
步骤一、根据衬底材料和薄膜材料的性质，选取若干过渡层材料；
步骤二、建立所需的界面模型；具体过程包括：
21)根据晶体的晶格常数、晶格类型，分别建立衬底材料、过渡层材料和薄膜材料的晶体模型；
22)基于晶体模型，根据晶面指数分别建立衬底材料、过渡层材料和薄膜材料的表面模型，调整表面的厚度和方向参数，并根据晶格常数建立超晶胞，使得将要结合成界面的两种材料的表面的晶格常数相差小于5％；
23)将构造好的表面模型分别结合成衬底/薄膜、衬底/过渡层、过渡层/薄膜界面模型，并添加厚度不小于的真空层，形成晶体；
步骤三、计算无过渡层存在时的界面性能，即衬底/薄膜的界面性能，根据界面处净电荷量变化量和原子间化学键布居数，判定是否需要过渡层；如果需要过渡层，进行步骤四；
所述衬底/薄膜的界面性能具体计算步骤包括：
31)衬底/薄膜界面的几何优化和性质计算：利用Material Studio材料计算软件中的CASTEP模块，对衬底/薄膜界面进行几何优化和性质计算，选择交换相关函数和赝势，选择“几何优化”任务，得到衬底/薄膜界面的结构；根据模型的大小设置精度、截止能、k点值，在性质选项卡中选择净电荷量变化量和原子间化学键布居数，并运行计算；
32)界面处原子电荷量与电子转移的分析：在CASTEP模块的分析中选择布居分析，选择计算好的.castep文件作为结果文件，选择向结构分配电荷，并将电荷量标在几何优化后的模型的每个原子上，将界面处原子的电荷与远离界面原子的电荷进行比较，得到衬底/薄膜界面处净电荷量变化量；
33)界面处化学键布居数的分析：在布居分析中选择分配化学键到结构，得到衬底/薄膜界面处原子间化学键布居数，布居数的正负号表明相互作用类型，正值代表共价键，负值代表离子键，绝对值表明了相互作用力的相对强弱；
步骤四、分别计算步骤一中选取范围内的材料作为过渡层时，衬底/过渡层和过渡层/薄膜的界面性能，并根据界面处净电荷量变化量和原子间化学键布居数，对不同材料作为过渡层时，过渡层对衬底和过渡层对薄膜的结合力进行综合评价，选出对于改善衬底/薄膜界面结合力有效的材料；
步骤五、对步骤四中选出的材料作为过渡层时对薄膜与衬底结合力进行评价排序；根据排序结果选择前2～3种过渡层材料。
本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：本发明利用Material Studio等材料计算软件建立相应的衬底/过渡层和过渡层/薄膜材料界面模型，采用基于密度泛函理论的第一性原理进行模拟计算，从原子分子水平、电子之间相互作用和化学键形成的角度对薄膜与衬底之间的结合力进行评价，根据计算模拟结果选择合适的过渡层材料。
利用界面模拟计算评价了过渡层对于衬底/薄膜界面结合力的影响，提出了合适的评价标准。
而且根据过渡层对衬底/薄膜界面结合力所起的效果缩小过渡层选择范围，指导了过渡层材料的选择，大大节省了时间和人力物力成本，如实施例1、施例2以及施例3中，平均节约时间72％。
附图说明
图1为有过渡层的样品结构示意图；
图2为SiO2(100)/TiN(100)界面几何优化后的界面结构模拟结果；
图3为TiN(100)/MgO(100)界面几何优化后的界面结构模拟结果；
图4为SiO2(100)/TiN(100)/MgO(100)样品刻蚀至SiO2(100)/TiN(100)界面处X射线光电子能谱Ti1/2p峰的分峰结果图；
图5为SiO2(100)/TiN(100)/MgO(100)样品刻蚀至TiN(100)/MgO(100)界面处X射线光电子能谱Mg1s峰的分峰结果图；
图6为SiO2(100)/MgO(100)样品纳米划痕后表面的扫描电子显微镜(SEM)照片；
其中：1.衬底，2.过渡层，3.薄膜。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式给出的基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法，具体包括以下步骤：
步骤一、根据衬底材料和薄膜材料的性质，确定可能合适该衬底和薄膜材料的过渡层材料选取范围；选取过程中还能够结合本领域内常规的过渡层、文献资料以及实验经验，选取若干种可能的过渡层材料，通常选取5～8种；
步骤二、建立所需的界面模型；具体过程包括：
21)根据晶体的晶格常数、晶格类型，分别建立衬底材料、过渡层材料和薄膜材料的晶体模型；
22)基于晶体模型，根据晶面指数分别建立衬底材料、过渡层材料和薄膜材料的表面模型，调整表面的厚度和方向参数，并根据晶格常数建立超晶胞，使得将要结合成界面的两种材料的表面具有尽可能相似的晶格常数，这里限定将要结合成界面的两种材料的表面的晶格常数相差小于5％；
23)将构造好的表面模型分别结合成衬底/薄膜、衬底/过渡层、过渡层/薄膜界面模型，并添加厚度不小于的真空层，形成晶体；
步骤三、计算无过渡层存在时的界面性能，即衬底/薄膜的界面性能，根据界面处净电荷量变化量和原子间化学键布居数，判定是否需要过渡层；如果不需要过渡层，结束过渡层材料选择，如果需要过渡层，进行步骤四；
所述衬底/薄膜的界面性能具体计算步骤包括：
31)衬底/薄膜界面的几何优化和性质计算：利用Material Studio材料计算软件(Materials Studio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件，无论构型优化、性质预测和X射线衍射分析，以及复杂的动力学模拟和量子力学计算，都可以通过一些简单易学的操作来得到切实可靠的数据)中的CASTEP模块，对衬底/薄膜界面进行几何优化和性质计算，选择合适的交换相关函数和赝势，选择“几何优化”任务，得到衬底/薄膜界面的结构；根据模型的大小设置精度、截止能、k点值(相当于一个取样密度)，在性质选项卡中选择净电荷量变化量和原子间化学键布居数，并运行计算；
32)界面处原子电荷量与电子转移的分析：在CASTEP模块的分析中选择布居分析，选择计算好的.castep文件作为结果文件，选择向结构分配电荷，并将电荷量标在几何优化后的模型的每个原子上，将界面处原子的电荷与远离界面原子的电荷进行比较，得到衬底/薄膜界面处净电荷量变化量；
33)界面处化学键布居数的分析：在布居分析中选择分配化学键到结构，分析除了结构内部的化学键之外，在界面处是否有新的与界面元素相关的化学键出现，最后得到衬底/薄膜界面处原子间化学键布居数，布居数的正负号表明相互作用类型，正值代表共价键，负值代表离子键，绝对值表明了相互作用力的相对强弱；
以下界面处原子分波态密度的分析可以对电荷量变化和化学键形成进行解释说明：界面处原子分波态密度的分析：分别选择界面处的原子，在CASTEP模块的分析中选择态密度、分波态密度，将结果导入函数绘图软件(Matlab，Mathmatica、Maple、Origin等)中重新绘制成界面各原子的分波态密度图，与远离界面的原子的分波态密度进行比较，得到界面处净电荷量变化量和原子间化学键布居数。
步骤四、分别计算步骤一中选取范围内的材料作为过渡层时，衬底/过渡层和过渡层/薄膜的界面性能，并根据界面处净电荷量变化量和原子间化学键布居数，对不同材料作为过渡层时，过渡层对衬底和过渡层对薄膜的结合力进行综合评价，选出对于改善衬底/薄膜界面结合力有效的材料；
步骤五、对步骤四中选出的有效的材料作为过渡层时对薄膜与衬底结合力进行评价排序；根据排序结果选择前2～3种过渡层材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤三中判定是否需要过渡层的方法为：
根据步骤三中的无过渡层存在时的界面性能计算结果，判定是否需要过渡层；如果界面处原子间净电荷量变化小于10％(说明界面处原子间几乎不存在电子转移)且界面处原子间化学键布居数的绝对值小于0.10(说明界面处原子间几乎不发生相互作用)，需要引入过渡层以提高薄膜与衬底的界面结合力，否则，如果界面处原子间净电荷量变化大于等于10％或界面处原子间化学键布居数的绝对值大于等于0.10，则不需要引用过渡层。
其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，步骤四中对步骤一中选取范围内的任意材料进行综合评价的具体步骤包括：
对于步骤一中选取范围内的任意材料i作为过渡层：
41)计算衬底/过渡层界面的界面性能，得到衬底/过渡层界面净电荷量变化量xi和衬底/过渡层界面处原子间化学键布居数的绝对值yi；
计算过渡层/薄膜界面的界面性能，得到过渡层/薄膜界面净电荷量变化量x′i和过渡层/薄膜界面处原子间化学键布居数的绝对值y′i；
42)过渡层功能评价：如果满足xi≥10％或者yi≥0.10，并且同时满足x′i≥10％或者y′i≥0.10，即，衬底/过渡层和过渡层/薄膜界面均存在电子转移或发生相互作用，说明材料i作为过渡层对于改善衬底/薄膜界面结合力是有效的，则选取该种材料i；否则，认为该过渡层不能有效提高衬底/薄膜界面的结合力，舍弃该种材料i。
其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，步骤五具体为：
令：zi＝yi+y′i，即，zi表示材料i作为过渡层时，衬底/过渡层界面处原子间化学键布居数的绝对值和过渡层/薄膜界面处原子间化学键布居数的绝对值之和，对于步骤四中选出的材料分别计算zi值，根据zi从大到小的排序结果，选择对应zi排序靠前的2～3种材料为最优的过渡层材料。
其他步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，步骤41)中，衬底/过渡层界面的界面性能计算方法与所述衬底/薄膜的界面性能具体计算方法相同。
其他步骤及参数与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，步骤42)中，过渡层/薄膜界面的界面性能计算方法与所述衬底/薄膜的界面性能具体计算方法相同。
其他步骤及参数与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
实施例
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例所述的基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法按照以下步骤进行：
步骤一、确定可能的过渡层材料选取范围：
对于SiO2(100)(氧化的Si)衬底及待制备的MgO薄膜，所较常用的过渡层为TiN过渡层，另外，根据文献所述原理，也可以考虑其他有还原性的材料，如Ti、TiC等。
步骤二、建立所需的界面模型；
21)SiO2(100)/MgO(100)界面模型的构建：SiO2(100)/MgO(100)界面模型在Material Studio的Visualizer模块中构建。首先根据晶体类型、空间群和晶格常数，建立SiO2和MgO两种晶体模型。切割(100)表面时，使得有5层SiO2(100)(其中5层Si原子和5层O原子)和5层MgO(100)原子层，设置SiO2顶端值为0，MgO顶端值为0.5。扩展表面，对于SiO2，设置U＝V＝3，MgO设置U＝V＝5，利用Build Layer将两种表面连接成SiO2(100)/MgO(100)界面模型，再选择Build Vacuum Slab为界面模型增加真空层；
22)SiO2(100)/TiN(100)界面模型的构建：与步骤21)相似，建立TiN晶体模型，由于TiN晶格常数与MgO相近，所使用的参数与步骤21)相同；
23)TiN(100)/MgO(100)界面模型的构建：以与步骤3.1类似的步骤，在MaterialStudio的Visualizer模块中建立TiN(100)/MgO(100)界面模型，由于TiN和MgO晶格常数接近，不需扩展表面形成超晶胞，直接连接两种表面即可；
24)其他界面模型的构建：根据所选择的过渡层，再建立其他的界面模型，如选取TiC作为过渡层时，建立SiO2(100)/TiC(100)和TiC(100)/MgO(100)的界面模型。
步骤三、计算无过渡层存在时(即衬底/薄膜SiO2(100)/MgO(100))的界面性能，确定是否需要过渡层：
31)SiO2(100)/MgO(100)界面的几何优化和性质计算：利用Material Studio8.0平台中的CASTEP模块对所建立的SiO2(100)/MgO(100)界面模型进行几何优化和性质计算，选取广义梯度近似GGA-PW91作为交换相关函数，采用超软赝势处理电子-离子相互作用，选择任务为“几何优化”，精度设置为“Fine”，截止能设置为400eV，选取k点为5×5×1。在性质中，勾选态密度(同时勾选计算分波态密度PDOS)和布居分析(同时勾选化学键布居分析)，运行计算；
32)SiO2(100)/MgO(100)界面的界面结构和性质分析：在CASTEP模块的分析中选择布居分析，向结构分配电荷和化学键，发现界面处Si、Mg原子的电荷量变化很小(Si5.4％，Mg4.7％，变化率小于10％)，且界面处未有新的化学键形成。
33)确定是否需要过渡层：根据步骤31)和32)结果，说明SiO2(100)/MgO(100)界面结合力较差，需要增加过渡层以提高结合力。
步骤四、计算衬底/过渡层SiO2(100)/TiN(100)和过渡层/薄膜TiN(100)/MgO(100)的界面性能，对过渡层对衬底和过渡层对薄膜的结合力进行综合评价：
41)计算SiO2(100)/TiN(100)界面的界面性能：
411)几何优化：与步骤31)相同；
界面结构：几何优化完成后，得到SiO2(100)/TiN(100)界面的结构(如图2所示)，其中，Ti-Si、N-Si原子距离(Ti、N原子与Si原子所组成的平面)分别为晶格常数在a、b方向略增加，在c轴方向缩小；
412)界面处原子电荷量与电子转移的分析：方法与步骤32)相同，将界面处原子的电荷与远离界面原子的电荷进行比较，结果列在表1中。结果显示，界面处Ti、Si原子的电荷量发生了大幅度的下降，而N原子的电荷量的值小幅度下降(绝对值小幅度上升)；
表1SiO2(100)/TiN(100)界面原子电荷量及变化情况
元素 界面处原子电荷量 远界面原子电荷量 电子转移方向
Ti 0.34 1.21 大幅度↓
N -0.68 -0.65 小幅度↓(绝对值↑)
Si 1.06 2.40 大幅度↓
413)界面处化学键布居数分析：将化学键分配到结构，除了结构内部的化学键之外，在界面处出现了Si-Ti化学键，布居数为0.43，呈现比较强的共价键性质，键长为
414)界面处原子分波态密度分析：分别选择界面处的Ti、N、Si原子，在CASTEP模块的分析中选择态密度、分波态密度，将结果导入Origin中重新绘制成界面各原子的分波态密度图，与远离界面的原子的分波态密度进行比较后，可以发现，界面处Ti原子d轨道态密度在3.660eV左右出现的峰是受到Si原子p轨道电子态密度的影响；界面处Si原子p轨道态密度在1.211eV左右出现的峰，以及附近其他几个峰的强度增强，都是与Ti原子d轨道电子产生共振所造成的，另外还有几个位置由于受到了N原子s和p轨道电子影响，但是及其微弱；
42)TiN(100)/MgO(100)界面的界面性能：
421)几何优化：具体操作方法与步骤31)相同；
界面结构：几何优化完成后，得到TiN(100)/MgO(100)界面的结构(如图3所示)，其中，N-Mg、Ti-O原子距离分别为晶格常数在a、b方向略减少，在c轴方向缩小；
422)界面处原子电荷量与电子转移的分析：具体操作步骤与32)类似，将界面处原子的电荷与远离界面原子的电荷进行比较，结果列在表2中。从电荷量的绝对值来分析，界面处N、Mg原子的电荷量绝对值上升，说明这两种原子之间的电荷发生了转移；
表2TiN(100)/MgO(100)界面原子电荷量及变化情况
元素 界面处原子电荷量 远界面原子电荷量 电子转移方向
O -1.12 -1.23 ↑(绝对值↓)
Mg 1.54 1.21 ↑
N -0.83 -0.74 ↓(绝对值↑)
Ti 0.43 0.80 ↓
423)界面处化学键布居数分析：具体步骤与32)相似，除了结构内部的化学键之外，在界面处出现了N-Mg化学键，布居数为-0.95，呈现比较强的离子键性质，键长为同时出现了具有弱共价键性质的O-Ti键，布居数为0.08，键长为
424)界面处原子分波态密度分析：具体步骤与414)相似，与远离界面的原子的分波态密度进行比较后，可以发现，界面处Mg原子p轨道态密度在-15.422eV左右出现的峰是受到N原子s轨道电子态密度的影响；界面处N原子p轨道态密度在-4.929eV左右峰的强度增强是与Mg原子p轨道电子产生共振的结果；
42)TiN过渡层功能评价：根据模拟计算结果，TiN过渡层能显著提高在Si(100)衬底上MgO(100)薄膜的结合力。TiN过渡层在整个结构中起到了承上启下的作用，一方面，与氧化的硅衬底表面的SiO2氧化层之间，形成了以类似Ti-Si共价键的结合形式为主，N-Si类似离子键的结合形式为辅的结合(界面处原子间化学键布居数0.43，大于0.10)；另一方面，与金属氧化物薄膜MgO之间，形成了N-Mg类似离子键结合形式(净电荷量变化Mg21.4％，N10.8％，大于10％，界面处原子间化学键布居数绝对值0.95，大于0.10)，从而提高了整个结构的结合力。
步骤五、选择合适的过渡层：
对Ti、TiC过渡层按照步骤四进行性质模拟和评价，最终选择TiN过渡层作为SiO2衬底和MgO薄膜之间的过渡层材料。
步骤六、制备实际的SiO2(100)/MgO(100)和SiO2(100)/TiN(100)/MgO(100)样品，并对测试其性能：
61)外延样品的制备：
611)氧化Si(100)衬底(SiO2(100))的表面处理：将Si(100)衬底用玻璃刀切割成尺寸为12mm×7mm的晶片，在丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗各5min。
将该衬底浸入体积比H2O2:去离子水＝1:20的溶液中，水浴保温65℃，预氧化10min；浸入体积比NH4OH:H2O2:去离子水＝1:1:10的SC-1溶液中,水浴加热到65℃，保温处理10min；去离子水冲洗干净后,浸入体积比HCl:H2O2:去离子水＝1:1:6的SC-2溶液中，加热到65℃保温10min，利用去离子水冲洗。浸入体积比HF:去离子水＝1:5的DHF溶液，室温下放置15min去除衬底表面氧化层，用无水乙醇超声处理5min，并将该处理过的衬底在无水乙醇中保存；
612)氧化Si(100)衬底(SiO2(100))上TiN(100)过渡层的生长：TiN(100)过渡层是在脉冲激光沉积***(PLD)中沉积的，该沉积***可同时安装6个靶材，实现靶材的公转切换，并有屏蔽罩将不用于沉积的靶材屏蔽，避免薄膜受到污染。选取高纯TiN靶(99.95％)为原料生长TiN外延薄膜，并将MgO靶材也预先安装在靶材组件上。整个沉积过程在真空条件下进行，设置衬底温度为550℃、激光强度为3J/cm2、激光频率为10Hz、靶基距为4.5cm、沉积时间为30min；
613)MgO(100)外延层的生长：将TiN靶材切换为高纯MgO靶(99.95％)，制备MgO(100)薄膜。保持生长室的真空条件，衬底温度700℃、激光强度为5J/cm2、激光频率为10Hz、靶基距为4cm、沉积时间为90min；
614)SiO2(100)/MgO(100)样品的制备：采用步骤611)相同方法处理Si(100)衬底，并使用与步骤613)相同方法在衬底上制备MgO(100)薄膜，作为测试对比样品。
62)SiO2(100)/MgO(100)和SiO2(100)/TiN(100)/MgO(100)样品的X射线光电子能谱(XPS)测试：对SiO2(100)/TiN(100)/MgO(100)样品进行刻蚀，在SiO2(100)/TiN(100)及TiN(100)/MgO(100)界面处分别进行X射线光电子能谱测试。对该样品SiO2(100)/TiN(100)界面处的Ti1/2p峰的分峰结果表明在该界面形成了与TiSi2能量接近的类似Si-Ti键的化学键作用(如图4所示)，对N1s进行分峰可以看到有较小的与Si3N4能量接近的类似Si-N键的化学键作用，但这并不是主要作用方式。对TiN(100)/MgO(100)界面处Mg1s峰的分峰结果表明在该界面形成了与Mg3N2能量接近的类似Mg-N键的化学键作用(如图5所示)。SiO2(100)/MgO(100)样品界面处原子未出现类似化学键作用结果；
63)SiO2(100)/MgO(100)和SiO2(100)/TiN(100)/MgO(100)样品的纳米划痕测试：
631)SiO2(100)/TiN(100)/MgO(100)样品的纳米划痕测试：划入深度从10nm一直增加到30nm，在扫描电子显微镜下，均未观察到薄膜脱落或剥离的现象，说明薄膜与衬底结合良好；
632)SiO2(100)/MgO(100)样品的纳米划痕测试：在划入深度小于15nm时，扫描电子显微镜下未观测到薄膜的脱落，当划入深度达到15nm时，可以在扫描电子显微镜下观测到薄膜的脱落现象(如图6所示)，说明薄膜与衬底的结合情况较差。
实施例2
一种基于过渡层对外延YSZ(钇稳定氧化锆)薄膜与氧化的Si衬底(SiO2(100))结合力影响评价的过渡层选择的实例，与实施例1其他步骤相同或类似，仅用以下步骤代替步骤六：采用脉冲激光沉积法(PLD)，在Si(100)/TiN(100)上制备YSZ薄膜。利用ZrO2和Y2O3陶瓷粉末预先烧制靶材，以不同质量比(ZrO2和Y2O3陶瓷粉末质量比分别为100:8、100:11、100:15)球磨后，在1500℃烧制、压片、热压，最终形成直径25mm的圆形靶材。沉积时，通入O2作为背景气体，其压强为0.01Pa，选择衬底温度700～750℃，激光能量为5J/cm2，激光频率10Hz，靶基距4cm，沉积时间约50min。在该结构中，通过步骤一～五的模拟，TiN(100)仍是最为合适的过渡层材料，与YSZ(100)薄膜之间的结合力是N-Zr(N-金属氧化物中的金属元素)的类似化学键作用。
实施例3
一种基于过渡层对外延SrTiO3薄膜与氧化的Si衬底(SiO2(100))结合力影响评价的过渡层选择的实例，与实施例1其他步骤相同或类似，仅用以下步骤代替步骤六：使用SrO和TiO2两种高纯靶材，与TiN靶材一起放入脉冲激光沉积***(PLD)的生长室，在沉积SrTiO3薄膜时，每2min先遮盖住衬底，再通过靶材公转杆，依次选择SrO、TiO2靶材，层层沉积，借助其反应形成SrTiO3薄膜。沉积条件为衬底温度800～850℃，激光能量为5J/cm2，激光频率10Hz，靶基距4cm，沉积时间约50min。在该结构中，通过步骤一～五的模拟，TiN(100)仍是最为合适的过渡层材料，与SrTiO3(100)薄膜之间的结合力是N-Sr和N-Ti(N-金属氧化物中的金属元素)的类似化学键作用。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法，其特征在于，所述基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法具体包括以下步骤：
步骤一、根据衬底材料和薄膜材料的性质，选取若干过渡层材料；
步骤二、建立所需的界面模型；具体过程包括：
21)根据晶体的晶格常数、晶格类型，分别建立衬底材料、过渡层材料和薄膜材料的晶体模型；
22)基于晶体模型，根据晶面指数分别建立衬底材料、过渡层材料和薄膜材料的表面模型，调整表面的厚度和方向参数，并根据晶格常数建立超晶胞，使得将要结合成界面的两种材料的表面的晶格常数相差小于5％；
23)将构造好的表面模型分别结合成衬底/薄膜、衬底/过渡层、过渡层/薄膜界面模型，并添加厚度不小于的真空层，形成晶体；
步骤三、计算无过渡层存在时的界面性能，即衬底/薄膜的界面性能，根据界面处净电荷量变化量和原子间化学键布居数，判定是否需要过渡层；如果需要过渡层，进行步骤四；
所述衬底/薄膜的界面性能具体计算步骤包括：
31)衬底/薄膜界面的几何优化和性质计算：利用Material Studio材料计算软件中的CASTEP模块，对衬底/薄膜界面进行几何优化和性质计算，选择交换相关函数和赝势，选择“几何优化”任务，得到衬底/薄膜界面的结构；根据模型的大小设置精度、截止能、k点值，在性质选项卡中选择净电荷量变化量和原子间化学键布居数，并运行计算；
32)界面处原子电荷量与电子转移的分析：在CASTEP模块的分析中选择布居分析，选择计算好的.castep文件作为结果文件，选择向结构分配电荷，并将电荷量标在几何优化后的模型的每个原子上，将界面处原子的电荷与远离界面原子的电荷进行比较，得到衬底/薄膜界面处净电荷量变化量；
33)界面处化学键布居数的分析：在布居分析中选择分配化学键到结构，得到衬底/薄膜界面处原子间化学键布居数，布居数的正负号表明相互作用类型，正值代表共价键，负值代表离子键，绝对值表明了相互作用力的相对强弱；
步骤四、分别计算步骤一中选取范围内的材料作为过渡层时，衬底/过渡层和过渡层/薄膜的界面性能，并根据界面处净电荷量变化量和原子间化学键布居数，对不同材料作为过渡层时，过渡层对衬底和过渡层对薄膜的结合力进行综合评价，选出对于改善衬底/薄膜界面结合力有效的材料；
步骤五、对步骤四中选出的材料作为过渡层时对薄膜与衬底结合力进行评价排序；根据排序结果选择前2～3种过渡层材料。
2.根据权利要求1所述基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法，其特征在于，步骤三中判定是否需要过渡层的方法为：
根据步骤三中的无过渡层存在时的界面性能计算结果，判定是否需要过渡层；如果界面处原子间净电荷量变化小于10％且界面处原子间化学键布居数的绝对值小于0.10，需要引入过渡层以提高薄膜与衬底的界面结合力，否则不需要引用过渡层。
3.根据权利要求1或2所述基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法，其特征在于，步骤四中对步骤一中选取范围内的任意材料进行综合评价的具体步骤包括：
对于步骤一中选取范围内的任意材料i作为过渡层：
41)计算衬底/过渡层界面的界面性能，得到衬底/过渡层界面净电荷量变化量xi和衬底/过渡层界面处原子间化学键布居数的绝对值yi；
计算过渡层/薄膜界面的界面性能，得到过渡层/薄膜界面净电荷量变化量x′i和过渡层/薄膜界面处原子间化学键布居数的绝对值y′i；
42)过渡层功能评价：如果满足xi≥10％或者yi≥0.10，并且同时满足x′i≥10％或者y′i≥0.10，则选取该种材料i，否则，舍弃该种材料i。
4.根据权利要求3所述基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法，其特征在于，步骤五具体为：
令：zi＝yi+y′i，对于步骤四中有效的材料分别计算zi值，根据zi从大到小的排序结果，选择对应zi排序在前的2～3种材料为最优的过渡层材料。
5.根据权利要求4所述基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法，其特征在于，步骤41)中，衬底/过渡层界面的界面性能计算方法与所述衬底/薄膜的界面性能具体计算方法相同。
6.根据权利要求5所述基于过渡层对外延薄膜与衬底结合力评价的过渡层材料选择方法，其特征在于，步骤42)中，过渡层/薄膜界面的界面性能计算方法与所述衬底/薄膜的界面性能具体计算方法相同。
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