2-第二讲--薄膜材料物理--第一章薄膜的形成.pptVIP

成核速率∝临界核密度×每个核的捕获范围×吸附 原子向临界核的总速度 ※由统计理论，临界核密度: 两种成核理论的对比： 微滴理论（毛细作用理论）—热力学—凝结论，适用于描述大的临界核，可用热力学参数. 原子理论—统计物理学—原子成核与生长模型，适用于描述小的临界核. §1.4 凝结系数 凝结：吸附原子结合成对及其以后的过程. 凝结系数： §1.5 薄膜的形成 薄膜的形成顺序： ①小岛阶段—成核和核长大 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。 说明：核生长以吸附单体在基片表面的扩散， 不是由于气相原子的直接接触。 §1.6 薄膜的结构 组织结构 晶体结构—薄膜中微晶的晶型 1.6.1 组织结构 ※无定形结构—无序结构，近程有序， 远程无序。 类无定形结构—极其微小的(2nm)晶粒且无规则排列。高熔点金属薄膜、高熔点非金属化合物薄膜、碳硅锗的某些化合物薄膜，以及两不相容材料的共沉薄膜。 ※多晶结构—无规取向的微晶组成，晶粒10-100nm 低熔点金属薄膜。 1.6.2 晶体结构 大多数情况下，薄膜中微晶的晶体结构与块材的相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸可能不同于块材。 晶格不匹配：薄膜材料的晶格常数与基片的不匹配。 薄膜中有较大的内应力和表面张力。 在界面处，晶格发生畸变，以便于与基片相配合。 1.6.3 表面结构 薄膜应保持尽可能小的表面积（→理想平面） →使总能量最低。实际上，由于入射原子的无规性→薄膜表面有一定粗糙度。 入射原子冲击基片后，在其表面做扩散运动 →表面迁移，这在某种程度上，薄膜表面的谷或峰 削平，表面积减小，表面能降低。同时，低能晶 面（低指数面）有力发展，从而各晶面发展不一 →导致薄膜表面的粗糙度增大（高温常有） §1.7 薄膜中的缺陷 薄膜初始阶段，很小的小岛是完美的单晶。 小岛长大→彼此接触→晶界、晶格缺陷→进入薄膜中 单晶薄膜缺陷：缺陷堆、孪晶界 多晶薄膜缺陷：晶界面积多 1.7.2 小缺陷 小缺陷：在淀积薄膜中常观察到的位错环、堆缺陷、四面体和三角缺陷。位错环长10-30nm，环密度约1020/m2 蒸发薄膜中，可形成大量空位，因为： ①一个入射原子进入薄膜晶格时的等效温度比基片温度高得多； ②金属薄膜迅速凝结而成，淀积的原子层还未能与基片达到热平衡，即被新层所覆盖→许多空位陷入膜中。 用电镜可以观察膜中的点缺陷。 未溶解的位错环、空位聚集体、杂质原子聚集体，T↑→点缺陷的移动能力大→空位和间隙原子移到膜表面失T↓→点缺陷的移动能力小→点缺陷聚集而成的疵点。 第二讲 第一章薄膜的形成 第一章 薄膜的形成 第二讲 §1.3 成核理论 包括： 微滴理论——热力学方法 原子理论——统计物理学方法 2、原子理论 当原子数100个以上的微滴，其表面能和自由能可以用块状材料的相应数值。当小于100个以下，甚至几个原子的微滴时，需用原子理论。 1924年,弗仑凯尔(Frenkel)提出成核理论原子模型 物理模型： 临界核 最小稳定核 结合能 4-7个 原子团 4-7个 原子团 临界核和最小 稳定核随基片 温度的变化。 T1 T2 T3 T (111)//基片表面 (100)//基片表面 4-7个 原子团 E2 E3= 2E2 E4= 4E2~5E2 E4= 6E2 E5= 8E2 当基片表面吸附弱而三个原子团被吸附的不牢时，动态平衡却有利于四原子结构→(100)//基片表面 结论：当原子团达到四原子以后，其结构有两种： 平面结构、角锥结构。 E2EP时→形成三角锥结构 2E2EP时→可能形成四角锥结构 E2EP时→形成平面结构 对于在金属基片上沉积金属，一般其临界核的体积大约为7个原子（不超过）。 薄膜的形成过程分四个阶段： 小岛成核，结合，沟道，连续薄膜 小岛成核 核长大 结合 孔洞 连续膜 沟道 ②结合阶段 两个圆形核结合时间小于0.1s,并且结合后增大了高度，减少了在基片所占的总面积。而新出现的基片面积上会发生二次成核，复结合后的复合岛若有足够时间，可形成晶体形状，多为六角形。核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能降低。 核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能降低。在结合之初，为了降低表