磁性薄膜制备和表征.ppt

薄膜的生长 薄膜的形成机理 薄膜的生长过程 (1) 核生长型（Volmer Weber型） 特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核，后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。 这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶格不相匹配（非共格）时出现，大部分的薄膜的形成过程属于这种类型。 薄膜的形成机理 （1）岛生长模式 薄膜生长的四个阶段 1.成核：在此期间形成许多小的晶核，按同济规律分布在基片表面上； 2.晶核长大并形成较大的岛：这些岛常具有小晶体的形状； 3.岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络 4. 沟道被填充：在薄膜的生长过程中，当晶核一旦形成并达到一定尺寸之后，另外再撞击的离子不会形成新的晶核，而是依附在已有的晶核上或已经形成的岛上。分离的晶核或岛逐渐长大彼此结合便形成薄膜。 薄膜的形成机理 (2)层生长型（Frank-Vanber Merwe型） 特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、第三层……。 一般在衬底原子与沉积原子之间的键能接近于沉积原子相互之间键能的情况下（共格）发生这种生长方式的生长。 以这种方式形成的薄膜，一般是单晶膜，并且和衬底有确定的取向关系。例如在Au衬底上生长Pb单晶膜、在PbS衬底上生长PbSe单晶膜等。 Layer by Layer 薄膜的形成机理 (3)层核生长型（Straski Krastanov型） 特点：生长机制介于核生长型和层生长型的中间状态。当衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能的情况下（准共格）多发生这种生长方式的生长。 在半导体表面形成金属膜时常呈现这种方式的生长。例如在Ge表面上沉积Cd，在Si表面上沉积Bi、Ag等都属于这种类型。 Stranski-Kastranov 影响薄膜生长的因素 表面能与界面能 基片温度. 界面的晶体结构. 沉积源的类型. 溅射气体. 表面活性剂 表面能与界面能 Bauer (1980s) 发现薄膜生长于表界面能有很大关系 层层生长, 薄膜的表面能必须不大于基片的表面能与薄膜与基片界面能的差。 此公式是假设基片温度足够使薄膜达到热力学平衡状态。 表面能与界面能与材料有关系。 平衡态生长模式 层生长模式 满足Bauer条件，界面的厚度只有一个原子层。 光滑平整的薄膜 岛生长模式 不满足Bauer条件，薄膜无法浸润基片的表面，界面的宽度随时间增大。 薄膜粗糙度大 层岛生长： 薄膜在浸润基片后以岛生长模式生长，界面的宽度不断增大。 粗糙薄膜 材料的固溶性 有些材料之间非常容混溶，这样的材料为互溶性的。当这些材料沉积到基片上，倾向于在膜与基片间形成宽的界面，这样的界面可以延伸许多原子层。 例子：过渡金属薄膜的硅化-过渡金属沉积在硅片上，容易形成硅化的界面，成份沿界面纵深变化。 对于薄膜材料与基片材料不固溶的情况，一般会形成很锐的界面，当然也有报道，界面的外延应力可能会使情况发生改变。 基片温度的影响 基片温度和沉积速率是影响薄膜表面形貌的最重要的因数。 温度过低或沉积(1 nm/sec)过快会导致亚稳态热力学相 另一方面，低基片温度会可以抑制界面以及基片表面的 扩散现象。 因此温度温度的选取取决于材料的特性，如熔点, 外延失配以及混合熵。 一般来说极端平整（起伏度只有一两个原子层）的的薄膜是很难得到的. 界面的晶体结构 薄膜的晶体结构受基片表面的结构影响很大 如果薄膜的晶体结构与基片的晶体结构有特定的关系，则薄膜有可能外延生长，则薄膜的在平面内具有固定的取向，且其固定取向与基片晶格取向相关联。 若薄膜的结构与晶体的结构相同且晶格常数也相似，则薄膜为基片的赝晶。 如果只是垂直平面的关系得到保持此，则可以得到高度织构的薄膜。 沉积的方法影响 蒸发 原子动能较低(1 eV)，原子很难扩散入生长的表面内。 溅射 原子动能可以达到几百ev, 原子容易渗入表面，从而造成界面的混和。 背底真空度的影响 差的背底真空度(10-7 torr)，里面的气体多为水蒸气。水分子很容易吸附在基片的表面，从而提高表面原子的迁移率，另外氧原子以有可能在薄膜生长过程中对薄膜氧化。 中高真空，吸附在基片表面的微量的CO and CO2 会对薄膜的生长起到很大影响. 表面活性剂 表面活性剂与薄膜的结合比基片与薄膜的结合要强，因此表面活性剂可以使薄膜以岛生长模式生长。 描述表面活性剂最重要参数是浮出率 代表表面活性剂