连续薄膜的形成-ppt课件.ppt

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1、本讲将解决以下问题：（1）连续薄膜的形成机制（2）决定表面取向的Wullf理论（3）晶体生长的晶带模型（4）提高薄膜和衬底之间的粘附力的方法连续薄膜的形成1晶核相互吞并机制形核初期形成的孤立晶核将随着时间的推移逐渐长大，这一过程除了包括吸收单个的气相原子之外，还包括晶核之间的相互吞并联合的过程。晶核相互吞并可能的三种机制：Ostwald吞并过程；熔结过程；迁移过程岛状结构的三种长大机制2设想在形核过程中已形成了各种不同大小的晶核。随着时间的延长，大晶核将依靠消耗吸收小晶核获得长大。这一过程的驱动力来自岛状结构的薄膜力图降低自身表

2、面自由能的趋势。晶核相互吞并机制-Ostwald吞并3Ostwald吞并过程热力学设在衬底表面存在着两个不同大小的岛，它们之间并不直接接触。假定近似为球状（r1和r2）：两个岛的表面自由能为：Gs=4ri2(i=1,2)两个岛含有的原子数为：ni=4ri3/3岛中每增加一个原子引起的表面自由能增加为：晶核相互吞并机制-Ostwald吞并4根据化学位定义，每个原子的自由能：得到表征不同半径晶核中原子活度的吉布斯－汤姆森（Gibbs-Thomson）公式：a：相当于无穷大原子团中原子的活度值。晶核相互吞并机制-Ostwald吞并

3、Ostwald吞并过程热力学（每增加一个原子引起的表面自由能增加）5小晶核中的原子将具有较高的活度，其平衡蒸气压也将较高。当两个尺寸大小不同的晶核相邻的时候，小晶核中的原子有自发蒸发的倾向，而大晶核则会因其平衡蒸气压较低而吸收蒸发来的原子。大晶核吸收原子而长大，小晶核则失去原子而消失。Ostwald吞并的自发进行导致薄膜中一般总维持有尺寸大小相似的一种岛状结构。吉布斯－汤姆森（Gibbs-Thomson）公式：a：相当于无穷大原子团中原子的活度值。晶核相互吞并机制-Ostwald吞并6熔结过程：两个相互接触的晶核相互吞并的过程在极短

4、的时间内，两个相邻的晶核之间形成了直接接触，并很快完成相互吞并过程。熔结过程的驱动力：表面自由能的降低趋势。原子的扩散可能通过体扩散和表面扩散，但表面扩散机制对熔结过程的贡献应该更大。400C下不同时间时MoS2衬底上Au晶核的相互吞并过程晶核相互吞并机制-熔结过程7在衬底上的原子团具有相当的活动能力。其行为有些象小液珠在桌面上的运动。原子团迁移的驱动力：热激活过程。其激活能Ec应与原子团的半径有关。原子团越小，激活能越低，原子团的迁移也越容易。原子团的迁移将导致原子团间的相互碰撞和合并。场离子显微镜已观察到含有两三个原子的原子团的

5、迁移现象。电子显微镜已发现：只要衬底温度不是很低，拥有20～100个原子的原子团也可以发生自由的平移、转动和跳跃运动。晶核相互吞并机制-原子团的迁移要明确区分上述各种原子团合并机制在薄膜形成过程中的相对重要性是很困难的。但就是在上述多种机制的作用下，原子团之间相互发生合并过程，并逐渐形成了连续的薄膜结构。8金刚石薄膜的晶面取向性生长决定表面取向的Wullf理论(100)(111)任意取向9表面能和薄膜表面取向晶体中取向不同的晶面，原子面密度不同，解理时每个原子形成的断键不同，因而贡献于增加表面的能量也不相同。实验和理论计算都已证明，晶

6、体的不同晶面具有不同的表面能。正如能量最低的晶面常显露于单晶体的表面之外一样，沉积薄膜时，能量最低的晶面也往往显露于外表面。决定表面取向的Wullf理论面心立方晶体主要晶面表面能相对比值表面能因晶体表面的取向不同而不同，说明表面能具有方向性。采用Wullf理论，可根据表面能的方向性推测薄膜生长模式及表面取向。Wullf方法的优点在于其作图方法的简明直观性。10决定表面取向的Wullf理论设在衬底B上生成膜物质A的三维晶核，晶核中含有n个A原子，其形核的自由能变化可表示为：气相到固相释放的化学自由能，是成膜的动力除A、B界面之外对A的所

7、有表面能求和扣除原B表面的表面自由能之外的界面能A、B：A和B的表面能*＝A＋B－：*：A和B之间的界面能。：A、B界面结合能，代表A、B之间的亲和力Sj：晶核j面的表面积j：晶核j面的表面能。SAB：A、B之间的接触面积11决定表面取向的Wullf理论由形核条件，可以导出Wullf定理：=0时，hAB=hA；0<<A，即A、B间的亲和力渐大时，hAB

8、hAB

9、

10、维方式向二维方式过渡。这与前面用界面能得出的结果是完全一致的。=常数12决定表面取向的Wullf理论垂直于哪个方向的晶面表面能大，则该方向生长得快，效果是降低总表面能。能显著降低总表面能的那些高表面能晶面将优先生长，并逐