Computer Simulation of Atomic Scale Behavior at Surface and Interface

Abstract

뢴트겐에 의해 X-선이 소개되면서 파괴하지 않고 인체 혹은 사물의 내부를 관찰할 수 있게 되었으며, 나아가 재료의 원자 구조까지 측정할 수 있게 되었다. 이는 지난 수 세기 동안 인간의 눈으로 볼 수 없었던, 단지 우리의 머리 속에 상상으로만 자리잡던 모습들을 현실화한 20세기 가장 획기적인 발견중 하나이다. 이를 토대로 다양한 형태의 측정 장비들이 소개되면서 인류는 더 작고 더 정교 한 물질의 세계를 연구할 수 있었다. 하지만, 20세기가 끝나갈 무렵, 나노과학의 시대가 도래하면서, 종래의 측정 장비들을 이용한 연구에도 한계가 드러나게 되었다. 소자의 크기가 원자 수준까 지 작아지면서, 계면 및 표면에서 원자 규모의 현상들이 소자의 성능을 크게 좌 우됨이 알려졌기 때문이다. 재료의 자기적인 특성을 이용한 자성소자의 경우, 1~2 나노미터의 얇은 박막이 여러 층 쌓여야하는 매우 정교한 공정이 요구되는 대표적인 경우로써, 원자 수준의 배열, 결함 등이 소자의 성능에 직접적인 영향 을 미치는 요인으로 알려져 있다. 또한 전기적, 광학적 특성의 극대화를 위해 나 노 규모의 균일한 구조물을 만드는 것이 매우 중요한 이슈로 부각되면서, 다양 한 공정을 통해서 이를 제어하는 노력이 있었다. 하지만, 실험을 통한 나노 규모 의 형상, 조성, 결함등을 연구하는 것은 비효율적일 뿐 만 아니라, 매우 어렵다. 최근 들어 적절한 이론에 바탕을 둔 계산 과학은 이러한 실험적인 현상을 이해하기 위한 매우 훌륭한 수단이 되었다. ‘컴퓨터 실험’이라고도 불리는 이 방 법은 실험의 한계를 극복하고, 원자 수준의 거동을 관찰하고 극한 상태의 물성 까지 쉽게 측정할 수 있다. 더욱이 컴퓨터 성능의 급속한 발전은 시간적, 규모적 인 한계도 극복하였으며, 21세기를 이끌어갈 새로운 연구 분야로 주목받고 있다. 본 연구는 이러한 계산 과학의 장점을 극대화 할 수 있는 방법으로 분자동 역학 방법을 이용하여 표면 및 계면에서 원자단위 거동에 대한 전산모사 연구를 수행하였으며, 실험으로 발견하기 어려운 현상이나, 측정하기 힘든 원자의 구체 적인 거동을 관찰하였다. 논문의 순서는 현상의 종류에 따라 크게 세 부분으로 이루어져 있다. 순서는 재료공학에서 가장 널리 사용된 스퍼터링 공정을 따라서 구성하였으며 다음과 같다. 1. 소스 원자와 타깃 원자간의 상호작용 2. 타깃 원자와 기판 원자간의 상호작용 3. 타깃 원자들 간의 상호작용 첫번째 부분은 단순 스퍼터링을 통해 표면에 나노 패턴의 형성 메커니즘을 연구한 것이다. 종래의 연구는 입사된 이온에 의해 타깃 표면으로 전파되는 에 너지 흐름을 조사하는 방법으로 패턴의 형성을 이해하였지만, 본 연구에서는 스 퍼터링 이후 표면에 남게되는 원자들, 즉, 재증착 원자, 의 분포를 통해 수직입 사시 Pd(001)표면에서의 비등방 패턴 형성의 기구를 성공적으로 설명할 수 있었 으며, 입사 각도에 따라 패턴의 모양 및 방위의 변화까지 예측할 수 있었다. 두번째 부분은 Co-Al 시스템에서 증착시 계면에서의 비 대칭성 혼합거동에 대한 연구이며, 이를 통해서 Co원자가 Al(001)기판에 낮은 에너지(0.1 eV)로 증착 시 1나노 미터의 두께로 매우 균일한 B2구조의 원자간 화합물이 형성됨을 확인 하였으며, 반대의 경우에는 발생되지 않음을 계산으로 예측하였고, 실험으로 정 량적인 검증을 하였다. 분자동역학과 제일원리 계산을 통해, 이러한 비대칭적인 혼합거동이 0.1 eV의 매우 낮은 에너지에도 불구하고 발생된 이유가 입사원자가 표면 근처에서 발생되는 강한 ‘Local Acceleration’현상 때문이며, 이 힘이 혼합장 벽의 극복에 차이를 보여 비대칭적 혼합거동을 결정 하는 것으로 확인하였다. 마지막으로, CCP-GMR의 NOL층을 형성하는 Al-Cu시스템에서의 증착 및 성 장거동 연구를 통해 Al원자가 Cu 표면에서 다양한 증착거동을 보이는 것을 에 너지 장벽의 계산을 통해 확인하였으며, 특히, Al원자가 Cu섬 위에서 ES 장벽을 넘는 것이 아니라 downward diffusion거동을 통해 아래로 이동함을 확인하였다. 또한 가열된 상태에서 이러한 현상이 더욱 가속되어 두 물질간의 혼합이 발생됨 을 확인할 수 있었다.; As the X-ray discovered by Ro¨ntgen, we could observe our body or materials inside without destruction and, moreover, determine the crystal structures. This has been regarded as one of the most epoch-making discoveries in the 20th century because it enables many features which we could only imagine to realize. Based on this discovery, many spectroscopes have been introduced and we could investigate smaller and more sophisticated material systems. However, as the "Nano science and technology" was introduced toward the end of the 20th century, some limits using conventional equipments have been appeared. As the scale of devices goes down to an atomic level, atomic scale phenomena at the surface or interface have known to largely affect the performance of devices. In the case of magnetic devices, it is required sophisticated procedures of making very thin multilayers with 1~2 nm in thickness, thus, intermixing and defects in an atomic level has been regarded as a criterion of optimizing the performance of devices. And also, as fabrication techniques of ordered nano structures to be maximized the electrical or optical properties have turned out to be an important issue, many attempts to control the size or distribution of nano structures have been introduced. However, the investigations of formation, composition, or defects in an atomic level by using only experimental equipments are not only inefficient but also very difficult. Recently, computational science based on the well-organized theories has become a suitable method to understanding such phenomena. It is so-called "computer experiment", and this can overcome the limits of experiments, observe atomic behavior, and perform under any arbitrary, even unphysical conditions. Moreover, because much progress in the computing power can overcome the limits of time- or length scale, it has been paid much attention as a pioneer research field of leading science and technology in the 21th century. In this dissertation, in an attempt to maximize such a strong point of computational science, molecular dynamics (MD) was utilized for understanding atomic behaviors at surface and interface. From this research processes, some phenomena which are difficult to discover as well as details which are difficult to measure by experimental approaches were investigated. This dissertation is composed of largely three parts. The order was followed the process of physical vapor deposition (PVD) which is widely used for manufacturing devices in the materials science fields and as follows: 1. The interactions between source ions and target atoms 2. The interactions between target atoms and substrate atoms 3. The interactions among the target atoms The first part is to investigate the formation mechanism of nano patterns on the surface by simple ion sputtering process. Conventional researches have understood the formation of the nano pattern from investigating the propagation of energy which delivered by incident ion with high energy to the substrate. In this part, the mechanism for formation of anisotropic nano patterns on the Pd (001) surface was successfully rationalized by investigating the distribution of "redeposition atoms" which are the remained atoms on the surface after bombardments. Moreover, the variation of patterns with respect to the incident angle could predict successfully. The second part is to investigate the asymmetric intermixing behavior during deposition in Co-Al system. Well ordered B2 structure of 1 nm in thickness was spontaneously formed when Co deposits on an Al (001) surface with very low incident energy of 0.1 eV. However, the inverse case did not appear the interfacial mixing. It is worth noticing that this phenomenon is to predict previously by using MD simulation and confirm by using experimental measurements such as CAICISS and MOKE. From MD and ab-initio calculations, the reason why an asymmetric intermixing behavior was observed under such low incident energy of 0.1 eV was confirmed due to the "local acceleration effect" and this effect played an important role for determining the asymmetric intermixing. Finally, from the deposition and growth investigation in Al-Cu system which is a source material for forming nano oxide layers (NOL) in current confined path (CCP) GMR structure, various deposition behaviors of Al adatoms on the Cu surface and plateau were confirmed by calculating the diffusion energy barriers. Especially, when Al atoms on the Cu plateau were down to a lower terrace, downward diffusion path was shown to be more stable than Ehrlich-Schwoebel (ES) path. Moreover, this behavior was more accelerated and formed surface mixing when the system is annealed upto 700K.