分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法及系统

1.本发明属于氧化铝薄膜技术领域，特别涉及一种分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法及系统。


背景技术：

2.当前，随着经典硅基计算机的计算能力和制造技术逐渐趋于极限，具有潜在巨大计算能力的量子计算机正在日渐受到关注。基于超导电路的量子计算机由于具有高保真度、量子比特数目多、芯片加工技术成熟、系统集成度高、可扩展性好等优势，已经成为量子计算机中发展迅速的一种实现方式。而构建基于超导电路的量子计算机的关键组件之一是约瑟夫森结(josephson junction，jj)，它本质上是由两个超导体和一个薄绝缘势垒层组成的非线性电感，常用的材料是al/alo
x
/al。
3.其中，约瑟夫森结的绝缘势垒层alo
x
的性能一般被认为是在量子比特中能量耗散和退相干的主要来源。实验上一般是利用al与o2反应后形成alo
x
，且不同工艺参数下(如氧化温度、al晶向、o2密度等)所形成的alo
x
结构和性能都不一样。
4.如今无论是实验仪器测试，还是实验制备约瑟夫森结，都表现出高成本、难控制、低通量的劣势。实验方面可以通过试错法来找出alo
x
最优性能对应的工艺参数，但这是需要耗费大量的时间成本和材料成本的，而且各种各样的实验环境条件也会降低实验结论的准确性。此外，al与o2反应的微观机制也没有得到很好的解释。通过分子动力学方法，可以从分子(原子)层面观察和分析问题，有利于捕捉al氧化的微观机制，得出不同工艺参数与alo
x
性能的关系，而且可以穷尽所有的工艺参数，近几十年来逐渐成为一种重要的研究方法。对于al在不同工艺参数下的氧化微观过程研究是一种必要的方法。
5.另外，目前对于alo
x
空间结构特征的分析还比较少，且利用voronoi分析方法表征的大多是非晶纯金属或金属合金，对于非晶氧化物的表征还很少。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法及系统，填补了从voronoi多面体角度分析氧化铝空间结构的空白，降低了实验成本。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
8.本发明提供了一种分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法，包含以下步骤：
9.步骤1，基于分子动力学模拟软件建立al和o2反应的初始模型；
10.步骤2，对步骤1中所建立的模型进行初始化；
11.步骤3，对步骤2初始化后的模型进行动力学保温弛豫，得到al和o2充分反应的氧化铝模型；
12.步骤4，对步骤3得到的氧化铝模型进行动力学降温，得到热噪声干扰最小的氧化
铝模型所对应的dump文件；
13.步骤5，通过开源可视化软件对步骤4得到的dump文件数据进行读取，去除未成键的原子，获得新的dump文件；
14.步骤6，通过开源可视化软件中的分析模块，对步骤5新的dump文件中的数据进行voronoi分析，导出不同工艺参数下的原子坐标、原子类型、原子id、配位数、原子体积和voronoi指数至文件；
15.步骤7，整理文件数据并绘制统计曲线，得到配位数、原子体积、voronoi指数与氧化温度、o2密度、al基底晶向变化之间的关系图，评价工艺参数对氧化铝薄膜空间结构特征的影响。
16.进一步地，所述分子动力学模拟软件采用lammps软件。
17.进一步地，所述步骤1具体包括：
18.采用x、y方向周期性边界条件和z方向固定边界条件，建立al模型；首先赋予al原子质量和初始温度，采用reaxff势函数描述al与al之间的相互作用，设置al模型处于目标反应温度，选择系综为npt；然后在al原子的上方创建空白区域，随机放置o2分子，使最下层o和最上层al之间间距设置为
19.进一步地，所述步骤2的初始化过程如下：
20.赋予o原子质量和初始温度，采用reaxff势函数描述al与o、o与o之间的相互作用。
21.进一步地，所述步骤1和步骤2采用reaxff势函数描述al与al、al与o、o与o之间的相互作用，具体表达式为：
22.e
system
＝e
bond
e
over
e
under
e
lp
e
val
e
tors
e
vdwaals
e
coulomb
23.其中，e
bond
，e
val
，e
tors
是依赖于键级的价键相互作用，e
vdwaals
是分子间作用势，e
coulomb
是静电相互作用，其余的为修正项。
24.进一步地，所述步骤3具体包括：
25.将al基底底部的3层原子的自由度、速度和受力均设置为0，同时使al和o2反应的整个系统保持在步骤1设置的目标反应温度；在保温状态下，每隔固定时间步设定一个状态点，利用in文件中的thermo命令实时输出每一个状态点下系统的温度、压强、体积、内能、动能、总能量和时间进度，信息自动记录在log文件；利用in文件中的dump命令，输出每一个状态点下系统中所有原子的坐标和速度，分别保存至dump文件中。
26.进一步地，所述步骤4具体包括：
27.设置降温初始温度为步骤1设置的目标反应温度，终止温度为小于等于298k，降温速率由降温过程总时间步决定；同时，每隔固定时间步设定一个状态点，利用in文件中的thermo命令实时输出每一个状态点下系统的温度、压强、体积、内能、动能、总能量和时间进度，信息自动记录在log文件；利用in文件中的dump命令，输出每一个状态点下系统中所有原子的坐标和速度，分别保存至dump文件中。
28.进一步地，所述步骤5和步骤6的开源可视化软件为ovito软件。
29.进一步地，所述步骤5中，利用ovito软件中的coordination analysis功能和create bonds功能导出含原子坐标、化学键的lammps data文件，根据lammps data文件中的键信息，对步骤4保存的dump文件进行程序代码调整，使未成键的原子得到标注，保存至新的dump文件；再利用ovito软件中expression selction和delete selected功能对标注
为0的原子进行删除。
30.本发明还提供了一种分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的系统，包括：
31.初始模型构建模块，用于基于分子动力学模拟软件建立al和o2反应的初始模型；
32.模型初始化模块，用于对所建立的模型进行初始化；
33.动力学保温弛豫模块，用于对初始化后的模型进行动力学保温弛豫，得到al和o2充分反应的氧化铝模型；
34.动力学降温模块，用于对得到的氧化铝模型进行动力学降温，得到热噪声干扰最小的氧化铝模型所对应的dump文件；
35.去除未成键原子模块，用于通过开源可视化软件对得到的dump文件数据进行读取，去除未成键的原子，获得新的dump文件；
36.voronoi分析模块，用于通过开源可视化软件中的分析模块，对新的dump文件中的数据进行voronoi分析，导出不同工艺参数的原子坐标、原子类型、原子id、配位数、原子体积和voronoi指数至文件；
37.评价模块，用于整理文件数据并绘制统计曲线，得到配位数、原子体积、voronoi指数与氧化温度、o2密度、al基底晶向变化之间的关系图，评价工艺参数对氧化铝薄膜空间结构特征的影响。
38.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
39.1、本发明规避了计算资源消耗巨大的其它描述al与o相互作用的势函数(如s-m势函数)，选取了计算成本较低、能够模拟更长时间尺度的reaxff势函数。
40.2、本发明排除了实际实验中自身操作失误或外界环境不可控的因素对alo
x
的影响，提高了实验结论准确性；基于分子动力学模拟软件lammps模拟al氧化反应，通过开源可视化软件ovito可直接分析出氧化温度、o2密度、al基底晶向这三个工艺参数对alo
x
性能和微观空间结构的影响，避免了实验试错的长周期和巨大资源浪费，极大降低了实验成本，为约瑟夫森结的设计与制备提供参数指导，加速新的、更高性能的超导器件的优化和设计，为更大规模的量子芯片集成和量子计算机研制提供关键支撑。
41.3、本发明利用ovito软件进行voronoi分析，简化了数据处理的工作难度，提高了统计工作效率，同时降低了判别误差，提高了结果可信度。
42.4、本发明设置了实验上感兴趣的模拟工艺参数范围，减少了不必要的模拟，提高了计算机资源利用率。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1是本发明实施例的分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法的流程示意图；
45.图2是本发明实施例的al和o2反应的初始模型示意图；
46.图3是本发明实施例的al和o2反应后的去除未成键原子的模型示意图；
47.图4是本发明实施例的alo
x
中占比前8的voronoi指数分布图。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.如图1所示，本实施例的一种分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法，包含以下步骤：
50.步骤s11，基于分子动力学模拟软件建立al和o2反应的初始模型。
51.步骤s12，对步骤s11中所建立的模型进行初始化。
52.步骤s13，对步骤s12初始化后的模型进行动力学保温弛豫，得到al和o2充分反应的氧化铝模型。
53.步骤s14，对步骤s13得到的氧化铝模型进行动力学降温，得到热噪声干扰最小的氧化铝模型所对应的dump文件。
54.步骤s15，通过开源可视化软件对步骤s14得到的dump文件数据进行读取，去除未成键的原子，获得新的dump文件。
55.步骤s16，通过开源可视化软件中的分析模块，对步骤s15新的dump文件中的数据进行voronoi分析，导出不同工艺参数下的原子坐标、原子类型、原子id、配位数、原子体积和voronoi指数至文件。
56.步骤s17，整理文件数据并利用绘图软件绘制统计曲线，得到配位数、原子体积、voronoi指数与氧化温度、o2密度、al基底晶向变化之间的关系图，评价工艺参数对氧化铝薄膜空间结构特征的影响。
57.优选的，所述分子动力学模拟软件采用lammps软件。
58.所述步骤s11具体包括：
59.采用x、y方向周期性边界条件和z方向固定边界条件，建立al模型；首先赋予al原子质量和初始温度，采用reaxff势函数描述al与al之间的相互作用，设置al模型处于目标反应温度，选择系综为npt，积分时间步长自行选定；然后在al原子的上方创建空白区域，随机放置o2分子，使最下层o和最上层al之间间距设置为初始模型如图2所示。
60.所述步骤s12的初始化过程如下：
61.赋予o原子质量和初始温度，初始温度设置为298k，满足高斯分布。采用reaxff势函数描述al与o、o与o之间的相互作用。
62.所述步骤s11和步骤s12采用reaxff势函数描述al与al、al与o、o与o之间的相互作用，具体表达式为：
63.e
system
＝e
bond
e
over
e
under
e
lp
e
val
e
tors
e
vdwaals
e
coulomb
64.其中，e
bond
，e
val
，e
tors
是依赖于键级的价键相互作用，e
vdwaals
是分子间作用势，e
coulomb
是静电相互作用，其余的为修正项。
65.所述步骤s13具体包括：
66.将al基底底部的3层原子的自由度、速度和受力均设置为0，避免al原子在反应过
程中丢失，同时使al和o2反应的整个系统保持在步骤s11设置的目标反应温度，从而使al和o2发生充分反应；在保温状态下，每隔固定时间步设定一个状态点，利用in文件中的thermo命令实时输出每一个状态点下系统的温度、压强、体积、内能、动能、总能量和时间进度，信息自动记录在log文件；利用in文件中的dump命令，输出每一个状态点下系统中所有原子的坐标和速度，分别保存至dump文件中。
67.步骤s14具体包括：
68.设置降温初始温度为步骤s11设置的目标反应温度，终止温度为小于等于298k，降温速率由降温过程总时间步决定，此步骤降温是为了去除热噪声干扰；同时，每隔固定时间步设定一个状态点，利用in文件中的thermo命令实时输出每一个状态点下系统的温度、压强、体积、内能、动能、总能量和时间进度，信息自动记录在log文件；利用in文件中的dump命令，输出每一个状态点下系统中所有原子的坐标和速度，分别保存至dump文件中。
69.所述步骤s15和步骤s16的开源可视化软件为ovito软件，也可以采用voro 软件。
70.所述步骤s15中，利用ovito软件中coordination analysis功能对系统内由沿z轴o原子所包含的区域进行部分径向分布函数统计，利用ovito软件中create bonds功能对系统内所有原子间显示al-o键连接，截断半径设定为部分径向分布函数中al与o曲线的第一个尖峰之后出现的第一个谷点对应的x坐标，导出含原子坐标、化学键的lammps data文件。根据lammps data文件中的键信息，对步骤s14保存的dump文件进行程序代码调整，使未成键的原子得到标注，保存至新的dump文件；再利用ovito软件中expression selction和delete selected功能对标注为0的原子进行删除，al和o2反应后的去除未成键原子的模型如图3所示。
71.其中程序代码的功能在于对未成键的原子进行标注，具体为：根据data文件的键信息，在dump文件中对成键的原子标注为1，未成键的原子标注为0。
72.所述步骤s16中，利用ovito软件中voronoi analysis对原子进行voronoi分析，计算voronoi指数，对voronoi多面体上面积小于总面积1％的面所对应的壳层原子予以剔除，alo
x
中占比前8的voronoi指数分布如图4所示，横坐标表示voronoi指数，纵坐标表示比例，图4给出了表1中第5组的voronoi指数分布，图4表明了在此温度下，《2,2,2,0》占比最高，超过2.5％。
73.所述步骤s17中的al基底晶向、o2密度这两个工艺参数也需要在步骤s11建模时根据需要进行设置。步骤s11中的目标反应温度，步骤s14中的降温始末温度和降温速率均可在in文件中自行设定，且设置温度可以是实验上感兴趣的值，如77k(液氮冷却的温度)、298k(常温)、473k(对应200℃)，经测试，在77k到al熔点以下的温度都可稳定运行；同时输出时间步长和输出状态信息都可通过命令设置。三个工艺参数的设定如表1所示，仅控制氧化温度这一参数，其它两个参数设置为固定值，得出氧化温度与alo
x
空间结构的关系，同样地，也能得出al基底晶向与alo
x
空间结构的关系、o2密度与alo
x
空间结构的关系。
74.表1设定工艺参数
[0075][0076]
与上述分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法相应地，本实施例还提出分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的系统包括：
[0077]
初始模型构建模块，用于基于分子动力学模拟软件建立al和o2反应的初始模型；
[0078]
模型初始化模块，用于对所建立的模型进行初始化；
[0079]
动力学保温弛豫模块，用于对初始化后的模型进行动力学保温弛豫，得到al和o2充分反应的氧化铝模型；
[0080]
动力学降温模块，用于对得到的氧化铝模型进行动力学降温，得到热噪声干扰最小的氧化铝模型所对应的dump文件；
[0081]
去除未成键原子模块，用于通过开源可视化软件对得到的dump文件数据进行读取，去除未成键的原子，获得新的dump文件；
[0082]
voronoi分析模块，用于通过开源可视化软件中的分析模块，对新的dump文件中的数据进行voronoi分析，导出不同工艺参数的原子坐标、原子类型、原子id、配位数、原子体积和voronoi指数至文件；
[0083]
评价模块，用于整理文件数据并绘制统计曲线，得到配位数、原子体积、voronoi指数与氧化温度、o2密度、al基底晶向变化之间的关系图，评价工艺参数对氧化铝薄膜空间结构特征的影响。
[0084]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0085]
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。