Investigation of Step Growth on Nano Surfaces Depending on Temperature and Flux Rates Using the KMC Method
Abstract
In this study, the growth of nano-sized surface step structures was examined using the Kinetic Monte Carlo (KMC) simulation technique. The step growth and correlation function on the nano surfaces were analyzed at surface energy values of Eb = 100 meV, Ed = 80 meV, Eds = 150 meV, and Ek = 80 meV, where Eb is the bonding enegy, Eds is the step edge diffusion , Ed is the surface diffusion and Ek Schwoebel energy barrier values , with a surface flux of 1 atom every 10 ns directed towards the pre-formed stepped surfaces on the nano surfaces. The simulation temperature was set to T = 250 K. In this case, step growth was limited, but cluster structures played an important role in stepped surface growth. In a different scenario, at T = 300 K, the amplitude increased at a constant rate, and there were no step fluctuations. Surface growth increased, and the surface fluctuation amplitude also grew. At T = 350 K, when the temperature was raised further, step fluctuations has become dominant, the step fluctuation continued to increase at a constant rate, the step amplitude grew, and the number of islands decreased compared to the other two cases. In addition the correlation of steps is investigated for each temperature.
According to these results, the dynamics of step growth can be controlled by selecting an appropriate temperature and balancing the surface energy parameters.
Project Number
FBA-2024-16928
References
- [1] Bortz A.B., Kalos M.H., Lebowitz J.L.,1975, J. Comp. Physics, 17.
- [2] Fichthorn K. A., & Weinberg W. H., Theoretical foundations of dynamical Monte Carlo simulations. The Journal of chemical physics, 95(2) (1991) 1090-1096.
- [3] Haneman D., & Chernov A. A., Thermal conversion of Si (111) 2× 1 cleaved surface structure to Si (111) 7× 7 structure. Surface science, 215(1-2) (1989) 135-146.
- [4] Nagpal S., Sitapure N., Gagnon Z., & Kwon, J. S. I., Advancing crystal growth prediction: An adaptive kMC model spanning multiple regimes. Chemical Engineering Science, 299 (2024) 120472.
- [5] Li, Y., Chen, X., & Ai W., Kinetic Monte Carlo simulation study of the early stages of epitaxial SiC (0001) growth. Journal of Crystal Growth, 617 (2023) 127291.
- [6] Bulmer M. G. Principles of statistics. (2012). Courier Corporation.
- [7] ÇINLAR E., An Introduction to Stochastic Processes, Prentice-Hall, 1975.
- [8] Esen M., Atomik Basamaklı Kristal Yüzeylerinin Kinetik Monte Carlo Yöntemi ile İncelenmesi, Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fizik Bölümü Anabilim Dalı, Doktora Tezi, tez no: 5907, (2006)
- [9] Bartelt N. C. (et al.), Brownian motion of steps on Si(111) Phys. Rev. B, 48 (1993) 15453-15456.
KMC Yöntemi ile Nano Yüzeylerde Basamak Büyümesinin Sıcaklık ve Akı Değerlerine Bağlı Olarak İncelenmesi
Abstract
Bu çalışmada nano boyuttaki yüzey basamak yapılarının büyümesi Kinetic Monte Carlo(KMC) simülasyon tekniği kullanılarak incelenmiştir. Nano yüzeylerde önceden oluşturulan basamaklı yüzeylere, yüzey akısı 10ns’de 1 atom gelecek şekilde, yüzey enerjileri Eb = 100, Ed = 80, Eds = 150 ve Ek = 80 meV değerlerinde nano yüzeylerdeki basamak büyümesi ve korelasyon fonksiyonu incelenmiştir. Simulasyon sıcaklığı T=250K değerinde, Bu durumda basamak büyümesi sınırlı kalmış fakat adacık(cluster) yapıları yüzey büyümesinde etkili olmuştur. Farklı bir durumda T=300K sıcaklık değerinde ise; Bu basmak yapısında genlik sabit hızla artmış, basmak faz dalgalanmaları olmamıştır, yüzey büyümesi artmış fakat yüzey genliği artmıştır. Sıcaklığın daha da arttırıldığı T=350K sıcaklık değerinde ise; Bu basmak yapısında genlik sabit hızla artmış, basmak faz dalgalanmaları tekrar oluşmuştur, basamak genliği artmış adacık sayısı diğer iki duruma göre çok azalmıştır. Bu sonuçlara göre yüzeyin büyütüldüğü sıcaklık değeri ve yüzey enerji parametreleri dengeli uygun seçildiğinde basamak büyüme dinamiği kontrol edilebilir.
Project Number
FBA-2024-16928
References
- [1] Bortz A.B., Kalos M.H., Lebowitz J.L.,1975, J. Comp. Physics, 17.
- [2] Fichthorn K. A., & Weinberg W. H., Theoretical foundations of dynamical Monte Carlo simulations. The Journal of chemical physics, 95(2) (1991) 1090-1096.
- [3] Haneman D., & Chernov A. A., Thermal conversion of Si (111) 2× 1 cleaved surface structure to Si (111) 7× 7 structure. Surface science, 215(1-2) (1989) 135-146.
- [4] Nagpal S., Sitapure N., Gagnon Z., & Kwon, J. S. I., Advancing crystal growth prediction: An adaptive kMC model spanning multiple regimes. Chemical Engineering Science, 299 (2024) 120472.
- [5] Li, Y., Chen, X., & Ai W., Kinetic Monte Carlo simulation study of the early stages of epitaxial SiC (0001) growth. Journal of Crystal Growth, 617 (2023) 127291.
- [6] Bulmer M. G. Principles of statistics. (2012). Courier Corporation.
- [7] ÇINLAR E., An Introduction to Stochastic Processes, Prentice-Hall, 1975.
- [8] Esen M., Atomik Basamaklı Kristal Yüzeylerinin Kinetik Monte Carlo Yöntemi ile İncelenmesi, Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fizik Bölümü Anabilim Dalı, Doktora Tezi, tez no: 5907, (2006)
- [9] Bartelt N. C. (et al.), Brownian motion of steps on Si(111) Phys. Rev. B, 48 (1993) 15453-15456.
Details
| Primary Language | English |
|---|---|
| Subjects | Atomic, Molecular and Optical Physics (Other), Surface Physics |
| Journal Section | Natural Sciences |
| Authors | |
| Project Number | FBA-2024-16928 |
| Publication Date | March 25, 2025 |
| Submission Date | December 2, 2024 |
| Acceptance Date | March 19, 2025 |
| Published in Issue | Year 2025Volume: 46 Issue: 1 |
