力和扩散机制下外延形貌的演化分析.pdfVIP

摘 要 纳米材料的宏观性能取决于其微观结构，而外延薄膜材料的制备总的来说是 一个表面动力学过程。因此，对表面上原子的扩散、成核和生长，原子岛间的兼 并、失稳、粗化，台阶流动及失稳等一系列过程的研究具有非常重要的意义。 本文提出一个新的基于扩散界面的相场模型用以描述外延生长过程中岛的 形核、生长及熟化过程。该模型同时考虑了生长过程中弹性场、表面能、质量沉 积、扩散、解吸和能量势垒等热力学及动力学过程对表面纳米形貌的影响。采用 经典的 BCF 模型来描述生长过程中的扩散形核过程，而采用一个新的包含弹性 应变能的自由能函数，通过变分得到一个可以描述多层岛生长动态边界的相场方 程。采用有限差分格式对非线性耦合方程组进行求解，并编制相应的计算程序， 通过可视化处理再现了外延生长的真实形貌。 通过系统的数值预测真实再现了原子岛的形貌，并定量地对表面粗糙度的演 化做了详细的刻画。通过修正岛边界 PFTZ 的活原子扩散系数D 实现岛边界上下 台阶运动的不对称性，来模拟E 势垒阻碍活原子的下台阶运动，获得了多层区 S 岛的形貌演化，再现了与实验图片一致的外延形貌。通过高度-高度相关函数的 引入，计算了结构表面的局部粗糙度指数和粗糙度随覆盖率的变化，与已经获得 的实验和理论分析结果一致。采用弹性本构关系进行了应力分析，结果表明，在 形貌演化中，伴随着产生复杂的应力场，在岛边界处存在着高应力区。外延生长 中的应力演化明显的影响原子的扩散过程，当应力存在时，外延结构变化较无弹 性场时变快。 另外还利用相场模型模拟了邻晶面上的台阶生长以及退火过程，获得了与实 验一致的台阶演化形貌，并对台阶失稳现象进行了机理性的探究。结果发现：台 阶的弯曲是在吉布斯-汤姆逊效应和弯曲势垒的相互竞争作用下动态演化，在沉 积过程中，KES 效应起主导作用，导致台阶发生弯曲失稳和群化失稳；当中断 沉积进行退火处理时，吉布斯-汤姆逊效应起主导作用，弯曲的台阶逐渐变得平 滑。 关键词：相场法；外延生长；原子岛；应力；台阶失稳 万方数据 ABSTRACT The macroscopic properties of the thin-film material depend on microstructure evolution during the epitaxial growth. there is an extremely close relationship between microstructure properties and atomic behaviors on the substrate surface. Consequently， it is of great significance to probe a series of atomic processes such as surface diffusion，nucleation ，growth and the interaction between atoms，coalescence， instability，degenerati