第七章-薄膜的形成与生长-形核说课材料.ppt

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1、第七章薄膜的形成薄膜通常通过材料的气态原子凝聚而成的。固相原子气相原子吸附固相原子在薄膜形成的最早阶段，原子凝聚是以三维成核形式开始，然后通过扩散过程核长大形成连续膜。薄膜形成的方式确实是独特的。薄膜新奇的结构特性和性质，大部分归因于其独特的生长过程，因而薄膜生长对薄膜科学技术而言是最为基本、最为重要的。本章将对薄膜各生长阶段与膜结构有关的重要理论和实验结果进行介绍。几说(2)：吸附仅仅是由于原子的电偶极矩之间的范德华力起作用；：靠化学键的结合作用物理吸附化学吸附(3)固体表面的这种特殊形态使它具有一种过量的能量称为。表面自由能吸附现象使得表面自由能减小

2、。伴随着吸附作用所释放出来的能量称为。吸附能将吸附在固体表面上的气相原子除掉称为。解吸除掉被吸附气相原子的能量称为。解析能从蒸发源入射到表面的气相原子在到达表面后可能发生的三种现象：(1)与基片表面原子进行能量交换被吸附;(2)吸附后气相原子仍然有较大解析能，在基片表面作短暂停留后二次蒸发。(3)与基片表面不进行能量交换，入射到表面后立刻反射。用真空蒸发制备薄膜的时候，入射到基片表面上的气相原子中绝大多数都与基片表面原子进行能量交换形成吸附。吸附过程的能量关系图解：若入射的气相原子动能较小，处于物理吸附状态，其吸附能用Q表示。当这种气相原子动能较大但小于

3、或者等于激活能E则可产生化学吸附。要达到完全化学吸附，这种气相原子所具有的动能必须达到吸附能E的数量。E和E的差值Q称为化学吸附热。吸附过程能量曲线当气相原子具有的动能大于E时，它将不被基片表面吸附，通过再蒸发或者解吸而转变为气相。因此，E又叫。解吸能E(kcal/mol)(s)E(kcal/mol)(s)2.56.610-1254.410-10101.610-6158.510-3203.810251.710307.310吸附的气相原子在基片表面上的平均停留时间与吸附能E的关系：tt为单层原子的振动周期。吸附能E与平均停留时间的关系：二.表面扩散过程ED

4、Ed吸附原子表面扩散示意图在表面扩散运动中，单个吸附原子间相互碰撞形成原子对之后才能产生凝结。因此在研究薄膜形成过程时所说的凝结就是指吸附原子结合原子对以及其后的过程。所以吸附原子在表面扩散运动是形成凝结的必要条件。平均表面扩散时间：吸附原子在一个吸附位置上的停留时间。为表面原子沿着表面水平方向振动的周期，一般认为=。平均表面扩散距离：吸附原子在表面停留时间内经过扩散运动所移动的距离。式中，D为表面扩散系数。a表示相邻吸附位置的间隔。三.凝结过程假设单位时间内沉积在单位基片表面上的原子数为J(个/cm·s),则单位基片表面上的吸附原子数为：从此式可以看见

5、，沉积一停止(J=0),n就立即为0。在这种情况下，即使连续地进行沉积，气相原子也不可能在基片表面发生凝结。吸附原子在基片表面上的扩散迁移频度f为：假设＝，则吸附原子在基片表面停留时间内所迁移的次数为：一个吸附原子在迁移过程中与其它吸附原子相碰撞就可以形成原子对。定义吸附原子的捕获面积：n为单位基片表面上的吸附位置数。由此，则所有吸附原子的总捕获面积为：若S<1,在每个吸附原子的捕获面积内只有一个原子，故不能形成原子对，也就不发生凝结。若12，完全凝结。在研究凝结过程中通常使用的物理参数有凝结系数、粘附系数和热适应系数。凝

6、结系数：完全被基片表面所凝结的气相原子数与入射到基片表面上总气相原子之比。粘附系数：当基片表面上已经存在凝结原子时，再凝结的气相原子数与入射到基片表面上总气相原子数之比.式中，J为入射到基片表面气相原子总数，n是t时间内基片表面上存在的原子数。在n趋近0时，=。热适应系数：表征入射气相原子与基片碰撞时相互交换能量程度的物理量。式中T，T和T分别表示入射气相原子、再蒸发原子和基片的温度。吸附原子在表面停留期间:◆若和基片能量交换充分到达热平衡（　　　），表示完全适应。◆如果　　　　　时，　　　　　，表示不完全适应，有可能再蒸发。◆若　　　则入射气相原子与基

7、体完全没有热交换，气相原子全反射回来，　　　，表示完全不适应。2021/7/3013第2形第2形一.核形成与生长的物理过程核形成与生长的四个步骤：核形成与生长的物理过程(1)从蒸发源蒸发的气相原子入射到基片上，其中有一部分因为能量较大而弹性反射回去，另一部分则吸附在基片上。在吸附的原子中，有小一部分因为能量稍大而再蒸发出去。(2)吸附原子扩散迁移、结合成原子对和原子团。(3)原子团与别的原子碰撞结合，或者释放一个单原子。这种过程反复进行，直到原子数超过临界值，形成稳定的原子团。(4)稳定核再捕获其它吸附原子，进一步长大成小岛。二.核形成理论常见的核形成理

8、论：热力学界面能理论和原子聚集理论。1.热力学界面能理论基本思想：将一般气体在固