Gasphasenabscheidungen werden zur Produktion dünner Schichten in der Mikro- und Nanoelektronik benutzt, um eine präzise Kontrolle der Schichtdicke im Sub-Nanometer-Bereich zu erreichen. Elektronische Eigenschaften der Schichten werden dabei von strukturellen Eigenschaften determiniert, deren Bestimmung mit hohem experimentellem Aufwand verbunden ist. Die vorliegende Arbeit erweitert ein hochparalleles Modell zur atomistischen Simulation des Wachstums und der Struktur von Dünnschichten, welches Molekulardynamik (MD) und Kinetic Monte Carlo-Methoden (KMC) kombiniert, um die Beschreibung beliebiger Gasphasenabscheidungen. KMC-Methoden erlauben dabei die effiziente Betrachtung der Größenordnung ganzer Nano-Bauelemente, während MD für atomistische Genauigkeit sorgt. Erste Ergebnisse zeigen, dass das Parsivald genannte Modell Abscheidungen in Simulationsräumen mit einer Breite von 0.1 µm x 0.1 µm effizient berechnet, aber auch bis zu 1 µm x 1 µm große Räume mit 1 Milliarden Atomen beschreiben kann. Somit lassen sich innerhalb weniger Tage Schichtabscheidungen mit einer Dicke von 100 Å simulieren. Die kristallinen und amorphen Schichten zeigen glatte Oberflächen, wobei auch mehrlagige Systeme auf die jeweilige Lagenrauheit untersucht werden. Die Struktur der Schicht wird hauptsächlich durch die verwendeten molekulardynamischen Kraftfelder bestimmt, wie Untersuchungen der physikalischen Gasphasenabscheidung von Gold, Kupfer, Silizium und einem Kupfer-Nickel-Multilagensystem zeigen. Stark strukturierte Substrate führen hingegen zu Artefakten in Form von Nanoporen und Hohlräumen aufgrund der verwendeten KMC-Methode. Zur Simulation von chemischen Gasphasenabscheidungen werden die Precursor-Reaktionen von Silan mit Sauerstoff sowie die Hydroxylierung von alpha-Al2O3 mit Wasser mit reaktiven Kraftfeldern (ReaxFF) berechnet, allerdings ist weitere Arbeit notwendig, um komplette Abscheidungen auf diese Weise zu simulieren. Mit Parsivald wird somit die Erweiterung einer Software präsentiert, die Gasphasenabscheidungen auf großen Substraten effizient simulieren kann, dabei aber auf passende molekulardynamische Kraftfelder angewiesen ist.

L’objectif global de ce travail est d’étudier une modélisation multi échelle et de développer une méthode adaptée pour la simulation numérique du processus d’érosion à l’échelle du bassin versant. Après avoir passé en revue les différents modèles existants, nous dérivons une solution analytique non triviale pour le système couplé modélisant le transport de sédiments par charriage. Ensuite, nous étudions l’hyperbolicité de ce système avec diverses lois de sédimentation proposées dans la littérature. Concernant le schéma numérique, nous présentons le domaine de validité de la méthode de splitting, pour les équations modélisant l’écoulement et celle décrivant l’évolution du fond. Pour la modélisation du transport en suspension à l’échelle de la parcelle, nous présentons un système d’équations couplant les mécanismes d’infiltration, de ruissellement et le transport de plusieurs classes de sédiments. L’implémentation et des tests de validation d’un schéma d’ordre élevé et de volumes finis bien équilibré sont également présentés. Ensuite, nous discutons sur l’application et la calibration du modèle avec des données expérimentales sur dix parcelles au Niger. Dans le but d’aboutir la simulation à l’échelle du bassin versant, nous développons une modélisation multi échelle dans laquelle nous intégrons le taux d’inondation dans les équations d’évolution afin de prendre en compte l’effet à petite échelle de la microtopographie. Au niveau numérique, nous étudions deux schémas bien équilibrés : le schéma de Roe basé sur un chemin conservatif, et le schéma avec reconstruction hydrostatique généralisée. Enfin, nous présentons une première application du modèle avec les données expérimentales du bassin versant de Ganspoel qui nécessite la parallélisation du code. / The overall objective of this thesis is to study a multiscale modelling and to develop a suitable method for the numerical simulation of soil erosion on catchment scale. After reviewing the various existing models, we derive an analytical solution for the non-trivial coupled system modelling the bedload transport. Next, we study the hyperbolicity of the system with different sedimentation laws found in the literature. Relating to the numerical method, we present the validity domain of the time splitting method, consisting in solving separately the Shallow-Water system (modelling the flow routing) during a first time step for a fixed bed and updating afterward the topography on a second step using the Exner equation. On the modelling of transport in suspension at the plot scale, we present a system coupling the mechanisms of infiltration, runoff and transport of several classes of sediment. Numerical implementation and validation tests of a high order wellbalanced finite volume scheme are also presented. Then, we discuss on the model application and calibration using experimental data on ten 1 m2 plots of crusted soil in Niger. In order to achieve the simulation at the catchment scale, we develop a multiscale modelling in which we integrate the inundation ratio in the evolution equations to take into account the small-scale effect of the microtopography. On the numerical method, we study two well-balanced schemes : the first one is the Roe scheme based on a path conservative, and the second one is the scheme using a generalized hydrostatic reconstruction. Finally, we present a first model application with experimental data of the Ganspoel catchment where the parallel computing is also motived.

The study and modelling of two-phase flow, even the simplest ones such as the bubbly flow, remains a challenge that requires exploring the physical phenomena from different spatial and temporal resolution levels. CFD (Computational Fluid Dynamics) is a widespread and promising tool for modelling, but nowadays, there is no single approach or method to predict the dynamics of these systems at the different resolution levels providing enough precision of the results. The inherent difficulties of the events occurring in this flow, mainly those related with the interface between phases, makes that low or intermediate resolution level approaches as system codes (RELAP, TRACE, ...) or 3D TFM (Two-Fluid Model) have significant issues to reproduce acceptable results, unless well-known scenarios and global values are considered. Instead, methods based on high resolution level such as Interfacial Tracking Method (ITM) or Volume Of Fluid (VOF) require a high computational effort that makes unfeasible its use in complex systems. In this thesis, an open-source simulation framework has been designed and developed using the OpenFOAM library to analyze the cases from microescale to macroscale levels. The different approaches and the information that is required in each one of them have been studied for bubbly flow. In the first part, the dynamics of single bubbles at a high resolution level have been examined through VOF. This technique has allowed to obtain accurate results related to the bubble formation, terminal velocity, path, wake and instabilities produced by the wake. However, this approach has been impractical for real scenarios with more than dozens of bubbles. Alternatively, this thesis proposes a CFD Discrete Element Method (CFD-DEM) technique, where each bubble is represented discretely. A novel solver for bubbly flow has been developed in this thesis. This includes a large number of improvements necessary to reproduce the bubble-bubble and bubble-wall interactions, turbulence, velocity seen by the bubbles, momentum and mass exchange term over the cells or bubble expansion, among others. But also new implementations as an algorithm to seed the bubbles in the system have been incorporated. As a result, this new solver gives more accurate results as the provided up to date. Following the decrease on resolution level, and therefore the required computational resources, a 3D TFM have been developed with a population balance equation solved with an implementation of the Quadrature Method Of Moments (QMOM). The solver is implemented with the same closure models as the CFD-DEM to analyze the effects involved with the lost of information due to the averaging of the instantaneous Navier-Stokes equation. The analysis of the results with CFD-DEM reveals the discrepancies found by considering averaged values and homogeneous flow in the models of the classical TFM formulation. Finally, for the lowest resolution level approach, the system code RELAP5/MOD3 is used for modelling the bubbly flow regime. The code has been modified to reproduce properly the two-phase flow characteristics in vertical pipes, comparing the performance of the calculation of the drag term based on drift-velocity and drag coefficient approaches. / El estudio y modelado de flujos bifásicos, incluso los más simples como el bubbly flow, sigue siendo un reto que conlleva aproximarse a los fenómenos físicos que lo rigen desde diferentes niveles de resolución espacial y temporal. El uso de códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) como herramienta de modelado está muy extendida y resulta prometedora, pero hoy por hoy, no existe una única aproximación o técnica de resolución que permita predecir la dinámica de estos sistemas en los diferentes niveles de resolución, y que ofrezca suficiente precisión en sus resultados. La dificultad intrínseca de los fenómenos que allí ocurren, sobre todo los ligados a la interfase entre ambas fases, hace que los códigos de bajo o medio nivel de resolución, como pueden ser los códigos de sistema (RELAP, TRACE, etc.) o los basados en aproximaciones 3D TFM (Two-Fluid Model) tengan serios problemas para ofrecer resultados aceptables, a no ser que se trate de escenarios muy conocidos y se busquen resultados globales. En cambio, códigos basados en alto nivel de resolución, como los que utilizan VOF (Volume Of Fluid), requirieren de un esfuerzo computacional tan elevado que no pueden ser aplicados a sistemas complejos. En esta tesis, mediante el uso de la librería OpenFOAM se ha creado un marco de simulación de código abierto para analizar los escenarios desde niveles de resolución de microescala a macroescala, analizando las diferentes aproximaciones, así como la información que es necesaria aportar en cada una de ellas, para el estudio del régimen de bubbly flow. En la primera parte se estudia la dinámica de burbujas individuales a un alto nivel de resolución mediante el uso del método VOF (Volume Of Fluid). Esta técnica ha permitido obtener resultados precisos como la formación de la burbuja, velocidad terminal, camino recorrido, estela producida por la burbuja e inestabilidades que produce en su camino. Pero esta aproximación resulta inviable para entornos reales con la participación de más de unas pocas decenas de burbujas. Como alternativa, se propone el uso de técnicas CFD-DEM (Discrete Element Methods) en la que se representa a las burbujas como partículas discretas. En esta tesis se ha desarrollado un nuevo solver para bubbly flow en el que se han añadido un gran número de nuevos modelos, como los necesarios para contemplar los choques entre burbujas o con las paredes, la turbulencia, la velocidad vista por las burbujas, la distribución del intercambio de momento y masas con el fluido en las diferentes celdas por cada una de las burbujas o la expansión de la fase gaseosa entre otros. Pero también se han tenido que incluir nuevos algoritmos como el necesario para inyectar de forma adecuada la fase gaseosa en el sistema. Este nuevo solver ofrece resultados con un nivel de resolución superior a los desarrollados hasta la fecha. Siguiendo con la reducción del nivel de resolución, y por tanto los recursos computacionales necesarios, se efectúa el desarrollo de un solver tridimensional de TFM en el que se ha implementado el método QMOM (Quadrature Method Of Moments) para resolver la ecuación de balance poblacional. El solver se desarrolla con los mismos modelos de cierre que el CFD-DEM para analizar los efectos relacionados con la pérdida de información debido al promediado de las ecuaciones instantáneas de Navier-Stokes. El análisis de resultados de CFD-DEM permite determinar las discrepancias encontradas por considerar los valores promediados y el flujo homogéneo de los modelos clásicos de TFM. Por último, como aproximación de nivel de resolución más bajo, se investiga el uso uso de códigos de sistema, utilizando el código RELAP5/MOD3 para analizar el modelado del flujo en condiciones de bubbly flow. El código es modificado para reproducir correctamente el flujo bifásico en tuberías verticales, comparando el comportamiento de aproximaciones para el cálculo del término d / L'estudi i modelatge de fluxos bifàsics, fins i tot els més simples com bubbly flow, segueix sent un repte que comporta aproximar-se als fenòmens físics que ho regeixen des de diferents nivells de resolució espacial i temporal. L'ús de codis CFD (Computational Fluid Dynamics) com a eina de modelatge està molt estesa i resulta prometedora, però ara per ara, no existeix una única aproximació o tècnica de resolució que permeta predir la dinàmica d'aquests sistemes en els diferents nivells de resolució, i que oferisca suficient precisió en els seus resultats. Les dificultat intrínseques dels fenòmens que allí ocorren, sobre tots els lligats a la interfase entre les dues fases, fa que els codis de baix o mig nivell de resolució, com poden ser els codis de sistema (RELAP,TRACE, etc.) o els basats en aproximacions 3D TFM (Two-Fluid Model) tinguen seriosos problemes per a oferir resultats acceptables , llevat que es tracte d'escenaris molt coneguts i se persegueixen resultats globals. En canvi, codis basats en alt nivell de resolució, com els que utilitzen VOF (Volume Of Fluid), requereixen d'un esforç computacional tan elevat que no poden ser aplicats a sistemes complexos. En aquesta tesi, mitjançant l'ús de la llibreria OpenFOAM s'ha creat un marc de simulació de codi obert per a analitzar els escenaris des de nivells de resolució de microescala a macroescala, analitzant les diferents aproximacions, així com la informació que és necessària aportar en cadascuna d'elles, per a l'estudi del règim de bubbly flow. En la primera part s'estudia la dinàmica de bambolles individuals a un alt nivell de resolució mitjançant l'ús del mètode VOF. Aquesta tècnica ha permès obtenir resultats precisos com la formació de la bambolla, velocitat terminal, camí recorregut, estela produida per la bambolla i inestabilitats que produeix en el seu camí. Però aquesta aproximació resulta inviable per a entorns reals amb la participació de més d'unes poques desenes de bambolles. Com a alternativa en aqueix cas es proposa l'ús de tècniques CFD-DEM (Discrete Element Methods) en la qual es representa a les bambolles com a partícules discretes. En aquesta tesi s'ha desenvolupat un nou solver per a bubbly flow en el qual s'han afegit un gran nombre de nous models, com els necessaris per a contemplar els xocs entre bambolles o amb les parets, la turbulència, la velocitat vista per les bambolles, la distribució de l'intercanvi de moment i masses amb el fluid en les diferents cel·les per cadascuna de les bambolles o els models d'expansió de la fase gasosa entre uns altres. Però també s'ha hagut d'incloure nous algoritmes com el necessari per a injectar de forma adequada la fase gasosa en el sistema. Aquest nou solver ofereix resultats amb un nivell de resolució superior als desenvolupat fins la data. Seguint amb la reducció del nivell de resolució, i per tant els recursos computacionals necessaris, s'efectua el desenvolupament d'un solver tridimensional de TFM en el qual s'ha implementat el mètode QMOM (Quadrature Method Of Moments) per a resoldre l'equació de balanç poblacional. El solver es desenvolupa amb els mateixos models de tancament que el CFD-DEM per a analitzar els efectes relacionats amb la pèrdua d'informació a causa del promitjat de les equacions instantànies de Navier-Stokes. L'anàlisi de resultats de CFD-DEM permet determinar les discrepàncies ocasionades per considerar els valors promitjats i el flux homogeni dels models clàssics de TFM. Finalment, com a aproximació de nivell de resolució més baix, s'analitza l'ús de codis de sistema, utilitzant el codi RELAP5/MOD3 per a analitzar el modelatge del fluxos en règim de bubbly flow. El codi és modificat per a reproduir correctament les característiques del flux bifàsic en canonades verticals, comparant el comportament d'aproximacions per al càlcul del terme de drag basades en velocitat de drift flux model i de les basades en coe / Peña Monferrer, C. (2017). Computational fluid dynamics multiscale modelling of bubbly flow. A critical study and new developments on volume of fluid, discrete element and two-fluid methods [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90493 / TESIS

Gasphasenabscheidungen werden zur Produktion dünner Schichten in der Mikro- und Nanoelektronik benutzt, um eine präzise Kontrolle der Schichtdicke im Sub-Nanometer-Bereich zu erreichen. Elektronische Eigenschaften der Schichten werden dabei von strukturellen Eigenschaften determiniert, deren Bestimmung mit hohem experimentellem Aufwand verbunden ist. Die vorliegende Arbeit erweitert ein hochparalleles Modell zur atomistischen Simulation des Wachstums und der Struktur von Dünnschichten, welches Molekulardynamik (MD) und Kinetic Monte Carlo-Methoden (KMC) kombiniert, um die Beschreibung beliebiger Gasphasenabscheidungen. KMC-Methoden erlauben dabei die effiziente Betrachtung der Größenordnung ganzer Nano-Bauelemente, während MD für atomistische Genauigkeit sorgt. Erste Ergebnisse zeigen, dass das Parsivald genannte Modell Abscheidungen in Simulationsräumen mit einer Breite von 0.1 µm x 0.1 µm effizient berechnet, aber auch bis zu 1 µm x 1 µm große Räume mit 1 Milliarden Atomen beschreiben kann. Somit lassen sich innerhalb weniger Tage Schichtabscheidungen mit einer Dicke von 100 Å simulieren. Die kristallinen und amorphen Schichten zeigen glatte Oberflächen, wobei auch mehrlagige Systeme auf die jeweilige Lagenrauheit untersucht werden. Die Struktur der Schicht wird hauptsächlich durch die verwendeten molekulardynamischen Kraftfelder bestimmt, wie Untersuchungen der physikalischen Gasphasenabscheidung von Gold, Kupfer, Silizium und einem Kupfer-Nickel-Multilagensystem zeigen. Stark strukturierte Substrate führen hingegen zu Artefakten in Form von Nanoporen und Hohlräumen aufgrund der verwendeten KMC-Methode. Zur Simulation von chemischen Gasphasenabscheidungen werden die Precursor-Reaktionen von Silan mit Sauerstoff sowie die Hydroxylierung von alpha-Al2O3 mit Wasser mit reaktiven Kraftfeldern (ReaxFF) berechnet, allerdings ist weitere Arbeit notwendig, um komplette Abscheidungen auf diese Weise zu simulieren. Mit Parsivald wird somit die Erweiterung einer Software präsentiert, die Gasphasenabscheidungen auf großen Substraten effizient simulieren kann, dabei aber auf passende molekulardynamische Kraftfelder angewiesen ist.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Gasphasenabscheidungen 2.1.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 2.1.2 Chemische Gasphasenabscheidung 2.1.3 Atomlagenabscheidung 2.1.4 Methoden zur Simulation von Gasphasenabscheidungen 2.2 Molekulardynamik 2.2.1 Formulierung der Molekulardynamik 2.2.2 Auswahl verfügbarer Molekulardynamik-Software 2.2.3 Molekulardynamische Kraftfelder 2.3 Kinetic Monte Carlo-Methoden 2.4 Datenstrukturen 2.4.1 Numerische Voraussetzungen an Gasphasenabscheidungen 2.4.2 Vergleich der Laufzeiten für verschiedene Datenstrukturen 2.4.3 Effiziente Datenstrukturen 2.4.4 Alpha-Form 3 Methoden und Modelle 3.1 Stand der Forschung 3.1.1 Anwendungen von KMC-Simulationen für die Gasphasenabscheidung 3.1.2 Anwendung von MD-Simulationen für die Gasphasenabscheidung 3.2 Parsivald-Modell 3.2.1 Zielsetzung für Parsivald 3.2.2 Beschreibung des Parsivald-Modells 3.2.3 Annahmen und Einschränkungen 3.2.4 Erweiterungen im Rahmen der Masterarbeit 3.2.5 Behandlung von fehlerhaften Ereignissen 3.3 Laufzeitanalyse von Parsivald-Simulationen 3.3.1 Ereignis-Laufzeit TE 3.3.2 Ereignis-Durchsatz RE 3.3.3 MD-Laufzeit TMD 3.3.4 Worker-Laufzeit Tworker 3.3.5 Serielle Laufzeit T1 3.3.6 Anzahl der parallelen Prozesse p 3.3.7 Workerdichte rhoworker 3.3.8 Parallele Laufzeit Tp 3.3.9 Speedup Sp 3.3.10 Parallele Effizienz Ep 3.3.11 Auswertung der Laufzeitparameter 3.3.12 Fazit 3.4 MD-Simulationen: Methoden und Auswertungen 3.4.1 Zeitskalen in MD-Simulationen 3.4.2 Relaxierungen 3.4.3 Strukturanalysen 3.4.4 Bestimmung der Dichte und Temperatur 3.4.5 Radiale Verteilungsfunktionen, Bindungslänge und Koordinationszahl 3.4.6 Oberfläche, Schichtdicke, Rauheit und Porösität 3.4.7 Reaktionen und Stabilität von Molekülen 4 Simulationen von Gasphasenabscheidungen 4.1 Gold-PVD 4.1.1 Voruntersuchungen 4.1.2 Thermodynamische Eigenschaften 4.1.3 Simulation von Gold-PVD 4.1.4 Skalierbarkeit mit der Simulationsgröße 4.1.5 Fazit 4.2 Kupfer-PVD 4.2.1 Voruntersuchungen 4.2.2 Thermodynamische Eigenschaften 4.2.3 Simulation von Kupfer-PVD 4.2.4 Untersuchung der maximalen Workerdichte 4.2.5 Fazit 4.3 Multilagen-PVD 4.3.1 Multilagen-Simulationen mit Parsivald 4.3.2 Vergleich mit Ergebnissen reiner MD-Simulationen 4.3.3 Vergleich der Parallelisierbarkeit 4.3.4 Fazit 4.4 Silizium-PVD 4.4.1 Voruntersuchungen 4.4.2 Simulationen von Silizium-PVD 4.4.3 Fazit 4.5 Aluminiumoxid-ALD 4.5.1 ReaxFF-Parametersätze 4.5.2 Voruntersuchungen 4.5.3 Fazit 5 Zusammenfassung und Ausblick 5.1 Zusammenfassung 5.2 Ausblick A Physikalische Konstanten und Stoffeigenschaften B Datenstrukturen B.1 Übersicht über KMC-Operationen B.2 Beschreibung grundlegender Datenstrukturen B.3 Delaunay-Triangulationen B.3.1 Ausgewählte Eigenschaften einer Delaunay-Triangulation B.3.2 Algorithmen zur Konstruktion einer Delaunay-Triangulation C Ergänzungen zur Laufzeitanalyse von Parsivald C.1 Einfluss der Ereignis-Laufzeit auf die effiziente Raumgröße weff C.2 Zusätzliche Einflüsse auf das Maximum der Prozesse pmax C.3 Abschätzung der maximalen Workerdichte per Random Sequential Adsorption D Ergänzungen zur Simulation von Gold-PVD E Multilagen-PVD E.1 Porenbildung bei Unterrelaxation E.2 Simulationen mit Lagendicken von jeweils 5 nm F Simulation der CVD-Precursormoleküle Silan und Sauerstoff F.1 Stabilität der Precursormoleküle F.2 Reaktion der Precursormoleküle Literaturverzeichnis