[发明专利]分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法及系统

说明书

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，该方法包括基于分子动力学模拟软件建立Al和O₂反应的初始模型；对初始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；对得到的氧化铝模型进行动力学降温，得到氧化铝模型所对应的dump文件；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；对新的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；整理文件数据并绘制统计曲线，评价工艺参数对氧化铝薄膜空间结构特征的影响。本发明填补了从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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

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：

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；

步骤2，对步骤1中所建立的模型进行初始化；

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；

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；

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；