软件X 18（2022）101040原始软件出版物rheed++的2.0更新：RHEED强度振荡动态单束计算的复杂计算机模型安杰伊·达尼卢克计算机科学研究所，玛丽亚·居里-Skiodowska大学，UL。Akademicka 9，20-033 Lublin，波兰ar t i cl e i nf o文章历史记录：2022年1月8日收到收到修订版，2022年2月27日接受，2022年保留字：科学计算数值模拟RHEED振荡摇摆曲线a b st ra ctrheed++框架2.0版的主要更新包括一个通用算法，用于计算薄异质外延层生长过程中RHEED振荡的强度变化，摇摆的曲线。RHEED振荡振幅的变化显示衍射束强度如何依赖于入射电子束的掠射角，生长层的覆盖模型，和散射势的模型。当前版本引入了改进的框架可读性，这是通过删除注意到的结构缺陷来实现的。该软件不需要链接到任何现有的数值库例程。©2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本2.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00016可复制胶囊的永久链接N/A法律代码许可证GNU GPL 3使用的代码版本控制系统无软件代码语言、工具和服务使用C++11编译要求、操作环境和依赖关系GNU GCC、Linux、Microsoft Windows如果可用，链接到开发人员文档/手册问题支持电子邮件andrzej. poczta.umcs.lublin.pl1. 动机和意义rheed++是用于构建模型的框架，该模型模拟在薄异质外延层生长期间观察到的RHEED（反射高能电子衍射）强度振荡的变化[1]。本文的主要科学目标是提出一个新的框架，用于建立复杂的模型，用于计算来自生长和固定表面层的RHEED强度振荡与用于监测外延层表面状态的RHEED现象相关的科学问题形成了技术物理学的一个重要领域，对许多知识领域的这项工作的主要优点是主题的应用性质和软件的结构独创性。薄外延膜的RHEED测量是评估晶体完整性和使用分子束电子邮件地址：andrzej. poczta.umcs.lublin.pl。https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101040外延技术[2]。从实际的角度来看，三个主要类型的实验测量的基础上的RHEED现象是最常用的。确定表面完美性的最基本方法是分析衍射图案，其中包含有关晶体结构和表面重建的信息[3第二类RHEED测量涉及在薄外延膜生长期间观察到的RHEED镜面光束强度振荡幅度的变化，其提供关于生长速率和层生长模式的原位和实时信息[1]。使用RHEED现象的第三种类型的测量是摇摆曲线，其中RHEED镜面光束强度振荡的幅度被测量为掠射角的函数，入射电子束[7，8]。从异质外延层记录的摇摆曲线用于以高精度对外延层厚度和成分进行非破坏性评估，并确定晶格失配系统中的应变水平及其弛豫机制[7]。本文提出了一种用于RHEED强度变化2352-7110/©2022作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx安杰伊·达尼卢克软件X 18（2022）1010402······在薄外延膜的生长期间以及对于摇摆曲线两者。rheed++ 2.0框架已经扩展了一些功能，这些功能允许计算在薄异质外延层生长期间的选定阶段的固定表面的镜面光斑的强度振荡的掠射角它将被证明，基于该模型的模拟可以有助于解释实验数据。2. 软件描述rheed++的2.0版是参考文献[1]中描述的代码的高级形式，具有重要 的 功 能 改 进 。 当 前 版 本 的 代 码 实 现 了 对 matrix_Mn （ ） 、matrix_M（）和amplitudeR0（）函数的修改（以及在主程序中调用它们的方式的更改）。matrix_Mn（）函数计算考虑电子波函数的边界条件的反射率矩阵，而matrix_M（）计算matrix_Mn（）的复数元素。这些函数已被修改，以便它们可以用于计算薄膜生长过程中的RHEED振荡和摇摆曲线。amplitudeR0（）函数计算薄层生长期间的特殊反射光束振幅。此外，引入了新函数vectorKappaZ（）和amplitudeR0RC（）来计算摇摆曲线的镜面反射光束振幅。为了正常工作，rheed++ 2.0需要两个包含输入数据的文件。第一个（inputRheedData.dat）包含RHEED实验的模拟参数，第二个（coverage.dat）包含选定生长模型的层覆盖率值。coverage.dat文件由growth++程序生成，与早期版本相比没有任何更改[1]。当前版本框架的源代码通常是在基于Unix的操作系统上从命令行编译和运行的，但已经验证它也可以在Windows机器上运行。代码执行后，将生成以下文本文件：potential.dat，它存储晶体电势的实部值。数据被组织在两列中：第一列存储z轴的值（以[eV]表示），第二列存储晶体电势的值（以[eV]单位表示）;包含计算结果的文件。作为层生长时间的函数的RHEED强度振荡被保存在具有包含模拟参数的名称的文件中。数据 在这个文件中被组织在两列：第一列存储的值的增长时间，第二-振幅的反射波。RHEED强度振荡的掠射角依赖性保存在前缀为RC-（摇摆曲线）的文件中。此文件中的数据分为两列：第一列存储掠射角的值，第二列存储反射波的振幅。标准化数据保存在前缀为norm-的文件2.1. 软件构架作为引入修改的结果，rheed++的2.0版本以更一般的方式定义了RHEED实验的一维计算模型的结构，其操作的一般机制，并提供了一组通用功能来执行特定任务。用户可以为特定数据（晶体结构）创建自己的模型，根据正在实施的项目的要求扩展和调整各个功能，从而创建一个完整的程序。这意味着新版本的框架API是一个非常灵活的解决方案。所提出的编程解决方案的特征包括：控制倒置--默认行为-默认框架配置是有用的，并产生有意义的结果;可扩展性-– other crystallographic开放的内部结构在以前的版本中，所提出的框架方法从两个不同的角度，即功能和数据的角度来建模的RHEED实验。功能透视图侧重于rheed++提供的服务，而数据透视图（growth++）用于描述框架的数据源。在这一点上，应该注意的是，数据的视角（计算层覆盖率作为其生长时间的函数）可以由用户引入的完全不同的模型来表示。该建议的有效性示出通过将其应用到在文献中众所周知的实验数据的建模3. 说明性实例为了验证和验证新功能与现有功能集成的方式，对Si（111）衬底上Ag生长的RHEED振荡进行了适当的模拟。图1给出了在文献[1]中描述的生长模型下，Ag在Si（111）上准逐层生长过程中镜面反射电子束强度变化该图显示了Zhang及其同事[9]在Si（111）上Ag的低温生长过程中以及电子束入射角较高时，已经通过实验观察到 图图2示出了当在第15个生长时间单位t/ τ之后生长中断时，对于Ag（111）/Si（111）的20个单层厚度的固定表面的摇摆曲线计算。该图显示了衍射光束强度如何取决于入射光束的掠射角。用于计算的α和β值的含义来自图1和图2。1和2已在参考文献[1]中解释。α参数被视为引入了势的虚部，并且是对晶体散射快电子时可能发生的非弹性事件（芯电子，声子）的简化处理的实现。β参数（在范围[0; 5α]内）是允许控制负责生长层的岛边缘上的扩散散射的电势的大小的可调值。4. 影响和结论本工作的问题域包括反射高能电子衍射的动态条款。RHEED技术用于监控薄外延膜的形成过程，对外延层生长前沿的生长和形态非常敏感，反射电子束的强度是表面原子排列程度和衬底温度的函数。这种强度的变化是由表面粗糙度的波动引起的，这些变化的性质可以反映后续层中表面原子的形成和排列方式。本文提出了一个C++代码框架安杰伊·达尼卢克软件X 18（2022）1010403Fig. 1. 计算的镜面光束强度振荡作为生长时间t/τ的函数。入射电子束的能量为15 keV，晶体温度为160 K时，掠射角为0.6°。计算中使用的参数α和β的值如图所示图二. 在160 K，电子能量15 keV下，在Si（111）上生长20 ML Ag（111）的选定阶段的RHEED摇摆曲线。中固定曲面的计算第十五个生长单位。α和β参数的值如图所示的计算RHEED强度振荡过程中的生长和固定表面的薄外延层。rheed++ 2.0基于[1，7]中解释的理论，是参考文献[1]中发布的代码的修订版，增加了新的重要功能和改进的算法。在当前版本中，模型[1，7]已集成到一个框架中。因此，该工具提供了一种快速可靠的算法来构建复杂的RHEED模拟程序，提供有关异质外延层生长的动态系统的定性和定量行为的信息。代码是开源的，以鼓励其无限制的使用和进一步的开发。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作引用[1]丹尼鲁克河RHEed++：一个模拟外延薄膜生长过程中RHEED强度振荡的C++框架 。 SoftwareX 2020;12 ： 100593. http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2020.100593网站。[2]作者声明：A.反射高能电子衍射。剑桥University Press; 2004，http://dx.doi.org/10.1017/CBO9780511735097.[3][10]李国忠，李国忠，李国忠. RHEED模式的简化确定及其使用3D计算机图形显 示 的 解 释 。 材 料 2021;14 ： 3056 。 http://dx.doi.org/10.3390/ma14113056 网站。[4]放大图片作者：J.kikuchi线的观测分析一种用于TiO2封端 的SrTiO3（001）晶体的RHEED装置。材料2021;14：7077.http://dx.doi.org/10.3390/ma14227077网站。[5]Hagiwara Y，Shigeta Y.局部表面势对菊池的影响在重建的表面层内的高能电子的包络。J Phys Soc Japan 2017;86：114606.http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.86.114606网站。[6]王K，史密斯.反射式高超声速激光器的高效运动学仿真晶体表面的能量电子衍射条纹图案。Comput. 物理通信 2011;182：2208.http://dx.doi.org/10.1016/j.cpc.2011.04.023网站。[7][10]李文辉，李文辉.一种有效的RHEED计算方法纳米异质外延系统的摇摆曲线。Comput Phys Comm 2021;261：107692.http://dx.doi.org/10.1016/j.cpc.2020.107692网站。安杰伊·达尼卢克软件X 18（2022）1010404√√[8] [10] Nakahara H，O y a T，Saito Y，Ichimiya A. Si（111）的RHEED摇摆曲线分析3×3-Ag低温表面相变。E-J冲浪[9]张志华，长谷川S，井野S.低温下Ag在Si（111）表面外延生长时的RHEED强度振荡物理版本B科学纳米技术2006;4：414.http://dx.doi.org/10.1380/ejssnt.2006.414网站。1997;55：9983. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.55.9983网站。
