https://doi.org/10.26089/NumMet.v27r439

Суперкомпьютерное моделирование напряжений в тонких оптических пленках при различных температурах подложки

Авторы

  • Ф. В. Григорьев
  • В. Б. Сулимов
  • А. В. Тихонравов

Ключевые слова:

атомистическое моделирование
тонкие пленки
высокопроизводительные расчеты
напряжения в тонких пленках

Аннотация

В данной работе выполнен суперкомпьютерный расчет механических напряжений в тонких пленках диоксида кремния и диоксида титана методом молекулярной динамики при различных температурах процесса напыления. Для расчета напряжений требуются атомистические кластеры больших размеров, что обусловливает необходимость использования технологий параллельных вычислений. Показано, что характер и величины напряжений существенно зависят от пленкообразующего материала, температуры подложки и энергии напыляемых атомов. Проведен анализ численной эффективности суперкомпьютерных вычислений с учетом большого размера области атомистического моделирования, а также определены способы ее повышения.


Загрузки

Опубликован

2026-10-21

Выпуск

Том 27 (2026): Выпуск 4.

Раздел

Методы и алгоритмы вычислительной математики и их приложения

Авторы

Ф. В. Григорьев

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский вычислительный центр

• ведущий научный сотрудник

В. Б. Сулимов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский вычислительный центр

• заведующий лабораторией

А. В. Тихонравов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский вычислительный центр

• заведующий лабораторией

Библиографические ссылки

  1. N. Kaiser, “Review of the fundamentals of thin-film growth,” Appl. Opt. 41 (16), 3053–3060 (2002).
    doi 10.1364/AO.41.003053
  2. G. Qiao, H. Hu, X. Zhang, et al., “Stress-Induced Deformation of the Coating on Large Lightweight Freeform Optics,” Optics. Opt. Express 29 (4), 4755–4769 (2021).
    doi 10.1364/OE.414953
  3. P. J. J. Forschelen, A. S. J. Suiker, and O. van der Sluis, “Effect of Residual Stress on the Delamination Response of Film-Substrate Systems under Bending,” Int. J. Solids Struct. 97–98 (8), 284–299 (2016).
    doi 10.1016/j.ijsolstr.2016.07.020
  4. G. Abadias, E. Chason, J. Keckes, et al., “Review Article: Stress in Thin Films and Coatings: Current Status, Challenges, and Prospects,” J. Vac. Sci. Technol. A: Vacuum, Surfaces, and Films 36 (2), Article Number 020801 (2018).
    doi 10.1116/1.5011790
  5. M. Zhang, Z. Rao, K. S. Kim, et al., “Molecular Dynamics Simulation of Stress Induced by Energetic Particle Bombardment in Mo Thin Films,” Materialia 16 (1), Article Number 101043 (2021).
    doi 10.1016/j.mtla.2021.101043
  6. W. Xiaoqiang, Z. Xu, H. Xiangyi, et al., “Molecular Dynamics Simulation of Hybrid Structure and Mechanical Properties of DLC/Ni-DLC Thin Films,” Sci. Rep. 14 (1), Article Number 18885 (2024).
    doi 10.1038/s41598-024-69759-9
  7. H. Ghorbani and A. Poladi, “MD-Simulation of Duty Cycle and TaN Interlayer Effects on the Surface Properties of Ta Coatings Deposited by Pulsed-DC Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition,” Int. J. Eng. 33 (5), 861–869 (2020).
    doi 10.5829/ije.2020.33.05b.18
  8. F. V. Grigoriev, V. B. Sulimov, and A. V. Tikhonravov, “Atomistic Simulation of Stresses in Growing Silicon Dioxide Films,” Coatings 10 (3), 220–230 (2020).
    doi 10.3390/coatings10030220
  9. F. V. Grigoriev, A. V. Sulimov, I. V. Kochikov, et al., “Supercomputer Modeling of the Ion Beam Sputtering Process: Full-Atomistic Level,” in Optical Systems Design: Advances in Optical Thin Films V. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical EngineeringVol. 9627, Article Number 962701. (SPIE, the International Society for Optical Engineering, Bellingham, WA, United States, 2015).
    doi 10.1117/12.2190938
  10. X. Li, P. Ke, K.-R. Lee, and A. Wang, “Molecular Dynamics Simulation for the Influence of Incident Angles of Energetic Carbon Atoms on the Structure and Properties of Diamond-like Carbon Films,” Thin Solid Films 552, 136–140 (2014).
    doi 10.1016/j.tsf.2013.12.012
    http://dx.doi.org/10.1016/j.tsf.2013.12.012 Cited September 21, 2026.
  11. F. V. Grigoriev, V. B. Sulimov and A. V. Tikhonravov, “Study of Thin Optical Films Properties Using High-Performance Atomistic Simulation,” Supercomput. Front. Innov. 11 (1), 97–108 (2024).
    doi 10.14529/jsfi240105
  12. A. Baptista, F. Silva, J. Porteiro, et al., “Sputtering Physical Vapour Deposition (PVD) Coatings: A Critical Review on Process Improvement and Market Trend Demands,” Coatings 8 (11), Article Number 402 (2018).
    doi 10.3390/coatings8110402
  13. H. J. C. Berendsen, J. P. M. Postma, W. F. Van Gunsteren, et al., “Molecular Dynamics with Coupling to an External Bath,” J. Chem. Phys. 81 (8), 3684–3690 (1984).
    doi 10.1063/1.448118
  14. F. V. Grigoriev, A. V. Sulimov, I. V. Kochikov, et al., “High-Performance Atomistic Modeling of Optical Thin Films Deposited by Energetic Processes,” Int. J. High Perform. Comput. Appl. 29 (2), 184–192 (2015).
    doi 10.1177/1094342014560591
  15. F. V. Grigoriev, V. B. Sulimov and A. V. Tikhonravov, “Application of a Large-Scale Molecular Dynamics Approach to Modelling the Deposition of TiO2 Thin Films,” Comput. Mater. Sci. 188 (4–6), Article Number 110202 (2021).
    doi 10.1016/j.commatsci.2020.110202
  16. T. Darden, D. York and L. Pedersen, “Particle Mesh Ewald: An Ncdot log(N) Method for Ewald Sums in Large Systems,” J. Chem. Phys. 98 (12), 10089–10092 (1993).
    doi 10.1063/1.464397
  17. V. V. Voevodin, A. S. Antonov, D. A. Nikitenko, et al., “Supercomputer Lomonosov-2: Large Scale, Deep Monitoring and Fine Analytics for the User Community,” Supercomput. Front. Innov. 6 (2), 4–11 (2019).
    doi 10.14529/jsfi190201
  18. M. J. Abraham, T. Murtola, R. Schulz, et al., “GROMACS: High Performance Molecular Simulations through Multi-Level Parallelism from Laptops to Supercomputers,” SoftwareX (1–2), 19–25 (2015).
    doi 10.1016/j.softx.2015.06.001
  19. W. Humphrey, A. Dalke, and K. Schulten, “VMD: Visual Molecular Dynamics,” J. Mol. Graph. 14 (1), 33–38 (1996).
    doi org/10.1016/0263-7855(96)00018-5
  20. H. F. Winters, “Physical Sputtering: A Discussion of Experiment and Theory. In Radiation Effects on Solid Surfaces,” in Radiation Effects on Solid Surfaces, Vol. 158. (American Chemical Society, Washington, DC, 1976), pp. 1–29.
    https://doi.org/10.1021/ba-1976-0158.ch001 Cited September 21, 2026.
  21. H. Badorreck, M. Steinecke, L. Jensen, et al., “Correlation of Structural and Optical Properties Using Virtual Materials Analysis,” Opt. Express 27 (16), 22209–22225 (2019).
    doi 10.1364/OE.27.022209
  22. M. Taguchi and S. Hamaguchi, “MD Simulations of Amorphous SiO2 Thin Film Formation in Reactive Sputtering Deposition Processes,” Thin Solid Films 515 (12), 4879–4882 (2007).
    doi 10.1016/j.tsf.2006.10.097
    https://doi.org/10.1016/j.tsf.2006.10.097 Cited September 21, 2026.
  23. F. V. Grigoriev, A. V. Sulimov, E. V. Katkova, et al., “Full-Atomistic Nanoscale Modeling of the Ion Beam Sputtering Deposition of SiO2 Thin Films,” J. Non. Cryst. Solids 448, 1–5 (2016).
    doi 10.1016/j.jnoncrysol.2016.06.032
  24. M. R. Amirzada, A. Tatzel, V. Viereck, and H. Hillmer, “Surface Roughness Analysis of SiO2 for PECVD, PVD and IBD on Different Substrates,” Appl. Nanosci. 6, 215–222 (2016).
    doi 10.1007/s13204-015-0432-8
  25. H. Juárez, M. Pacio, T. Díaz, et al., “Low Temperature Deposition: Properties of SiO2 Films from TEOS and Ozone by APCVD System,” J. Phys. Conf. Ser. 167 (1), Article Number 012020 (2009).
    doi 10.1088/1742-6596/167/1/012020
  26. M. Bischoff, T. Nowitzki, O. Voß, et al., “Postdeposition Treatment of IBS Coatings for UV Applications with Optimized Thin-Film Stress Properties,” Appl. Opt. 53 (4), A212–A220 (2014).
    doi 10.1364/AO.53.00A212
  27. T. Tolenis, L. Grinevičiūtė, L. Smalakys, et al., “Next Generation Highly Resistant Mirrors Featuring All-Silica Layers,” Sci. Rep. 7 (1), Article Number 10898 (2017).
    doi 10.1038/s41598-017-11275-0
  28. T. Chen, C. Luo, D. Wang, and Y. Xiong, “Effect of Ion Beam Bombarding on Stress in TiO2 Thin Films,” Phys. Procedia 18, 136–142 (2011).
    doi 10.1016/j.phpro.2011.06.071
  29. H. M. Aktulga, J. C. Fogarty, S. A. Pandit, and A. Y. Grama, “Parallel Reactive Molecular Dynamics: Numerical Methods and Algorithmic Techniques,” Parallel Comput. 38 (4–5), 245–259 (2012).
    doi 10.1016/j.parco.2011.08.005

Лицензия

Copyright (c) 2026 Ф. В. Григорьев, В. Б. Сулимов, А. В. Тихонравов

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.