薄膜物理第4章薄膜的形核与生长概要.ppt

成核速率: 与成核能量和成膜参数有关的函数 4.3.2 统计或原子理论（原子聚集理论) 问题提出 热力学界面能理论的两个假设：一是认为核尺寸变化时，其形状不变；二是认为核的表面自由能和体积自由能与块体材料相同。 显然，此假设只适用于比较大的核（大于100个原子）。 理论计算：临界核的半径 实际情况：临界核的大小与成膜条件有关，基片温度低、过饱和度高时，临界核只有几个原子。 显然，热力学界面理论与实际情况有较大差别。 为了克服理论上的困难，1924年Frenkel提出了成核理论原子模型，并不断发展。 原子聚集理论的基本内容 原子聚集理论将核（原子团）看作一个大分子，用其内部原子之间的结合能或与基片表面原子之间的结合能代替热力学理论中的自由能。结合能不是连续变化而是以原子对结合能为最小单位的不连续变化。 原子聚集理论中，临界核和最小稳定核的形状与结合能的关系如图所示。 1)较低基体温度T1，临界核是吸附在基体表面上的单个原子。每一个吸附原子一旦与其他吸附原子相结合都可形成稳定的原子对形状稳定核。 2)温度大于T1之后，临界核是原子对。因为此时每个原子若只受单键的约束是不稳定的，必须具有双键才能形成稳定核。此时，最小稳定核是三原子的原子团。另一种可能是四原子的方形结构，概率小。 临界核和最小稳定核的形状与结合能的关系： 图中T1，T2和T3称为转变温度或临界温度。 3)当温度高于T2后，临界核是三原子或四原子团。因为这时双键已不能使原子稳定在核中。要形成稳定核，每个原子至少有三个键，稳定核是四原子团或五原子团。 4)当温度再进一步升高达到T3以后，临界核显然是四原子团和五原子团，有的可能是七原子团。 图中T1，T2和T3称为转变温度或临界温度。 4.3.2 统计或原子理论（原子聚集理论) 注：热力学界面能成核理论中，描述核形成条件采用临界核半径的概念。 转变温度或临界温度：形成临界核的等效温度 根据临界核原子数的多少，以及结合能和吸附能的大小，可以计算形成临界核的临界温度。 对两个和三个原子结合成临界核的转换温度 、 可以用下式计算： 4.3.2 统计或原子理论（原子聚集理论) 式中 为表面原子的振动周期（大约10-13~10-12 s）， J为单位时间入射到基片单位面积的总原子数； 是单位基片表面上吸附位置数； E2、E3 分别为两个和三个原子的结合能 成核速率 成核速率 与临界核面密度 、 临界核捕获范围 和吸附原子向临界核扩散的总速率 有关。 由统计理论可得到临界核密度： 式中， 和 分别为基片表面上的吸附位置密度和吸附原子密度， 为临界核中的原子数目， 是临界核的结合能， 是单原子吸附状态下的势能。 4.3.2 统计或原子理论（原子聚集理论) 是单原子吸附状态下的势能，故若将 作为能量基准（零点），则临界核密度可表示为： 成核速率 两种成核理论的比较 a.理论依据的基本概念相同，得到的成核速率公式形式相同； b.采用的能量不同：热力学界面能理论用自由能，原子理论用 结合能； c.微观结构模型不同：热力学界面能理论采用简单理想化几何 构型（能量连续变化），原子理论采用原子团模型（能量非 连续）； d.热力学界面能理论适用于大的临界核，原子理论适用于很小 的临界核； e.两种理论都能正确给出成核速率和临界核、基片温度和基片 性质的关系。一般说来，两个模型间有比较广泛的一致性。 4.4 薄膜的生长模式 （1）岛状模式（Volmer-Weber模式） 这种形成模式在薄膜生长的初期阶段，润湿角不为零，在基片表面上形成许多三维的岛状晶核、核生长、合并进而形成薄膜，大多数膜生长属于此类型。 （2）单层生长模式（Frank-VanderMerwe模式） 沉积原子在基片表面上均匀地覆盖，润湿角为零，在衬底上形成许多二维晶核，晶核长大后形成单原子层，铺满衬底，逐层生长。 大多数薄膜形成与生长过程都属于第一种模式，即在基片表面上吸附的气相原子凝结之后，首先形成晶核，核不断吸附气相原子形成小岛，岛吸附气相原子形成薄膜。 （3）层岛复合模式（Stranski-Krastanov模式） 在基片表面上形成一层或更多层以后，随后的层状生长变得不利，而岛开始形成，从二维生长到三维生长转变，岛长大、结合，形成一定厚度的连续薄膜。 4.4 薄膜的生长模式 4.5 生长过程 薄膜的形成过程分四个阶段： （1） （2） （3） （4） 透射电镜观察：大小一致(2-3nm)的核突然出现。 平行基片平面的两维大于垂直方向的第三维。 ① 小