《《成核理论和薄膜生长》》.pptVIP

圆柱状空腔，半径为 r，其中充满高为 h 的胚团。 在半径为 r的圆柱空腔中的胚团，r 是恒定的，形成能只是 h 的函数； 若 h 足够大，表面能项可为负值； 若流体为过冷或过饱和流体，?g0。随着 h 增加， ?G总是? ? 胚团将自发增长 ? 等价于籽晶生长 若流体为过热或不饱和流体，?g0，胚团也可能是稳定的 ? ?G随 h 增加而减小，即 空腔的半径越小，胚团越稳定 如： 在熔体生长系统中，当温度超过Tm时，即?g0，随着T上升，半径 r 较大的空腔中的胚团先消失，半径小的后消失。 §5 界面失配对成核行为的影响 衬底与胚团间的界面性质对成核行为的影响 ? 接触角？ 界面处点阵不匹配对界面能和弹性能的影响 如何通过它们影响对成核行为 衬底和胚团点阵不匹配对成核的影响 界面能?cs 弹性畸变能 界面能 化学部分：界面两侧异相原子的化学交互作用 结构部分：界面两侧异相点阵不匹配 共格界面、半共格界面和非共格界面 共格界面、半共格界面和非共格界面 共格界面：界面两侧的晶体点阵保持一定的位相关系，沿着界面，两相具有相同的或相近的原子排列 非共格界面：界面两侧的点阵不保持任何的位相关系，沿着界面，两相具有完全不同的原子排列 半共格界面：介于两者之间。界面两侧的点阵仍保持一定的位相关系，界面原子排列有差异但还比较接近。 界面失配对成核行为的影响 错配位错的界面能和外延晶体中的弹性能对成核行为的影响 接触角－界面张力?Lv和 ?SL的夹角 浸润与否取决于相交诸相的性质?界面能?界面张力 两者的大小都决定于衬底与外延晶体的理想错合度 选用外延衬底时，理想错合度越小越好 *§6 薄膜的生长过程及分类 薄膜的形成过程与薄膜结构决定于原子种类、衬底种类以及制备工艺条件。形成的薄膜可以是非晶态结构，也可以是多晶结构或单晶结构。 生长类型： 核生长型：三维生长机制 层生长型：二维生长机制 层核生长型：单层、二维生长后三维生长机制 生长类型： 核生长型：三维生长机制 层生长型：二维生长机制 层核生长型：单层、二维生长后三维生长机制 一、核生长型（Volmer-Weber型）：大部分薄膜 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。 多晶，和衬底无取向关系。一般是在衬底晶格和沉积薄膜晶格很不匹配时发生。 电子显微镜观察和理论分析的结果表明，核生长型薄膜的生长过程大致分为四个阶段： 成核阶段 小岛阶段 网络阶段 连续薄膜 小岛阶段 稳定晶核数目达极大值，继续沉积使晶核长大成岛。岛与岛之间不相连 网络阶段 随着岛的长大，相邻的小岛会合并，结果形成网络状薄膜。 大岛并吞小岛现象： 小岛与小岛之间合并 ? 释放出一定能量 ? 使微晶状小岛熔化 ? 重结晶 ? 电子衍射结果发现：在尺寸和结晶取向不同的两个小岛结合时，大岛的取向与原来较大的小岛的取向相同 连续薄膜 一般情况下，形成连续薄膜的厚度约为10nm 二、层生长型（Frank-Van der Merwe型） 沉积原子的扩散和碰撞 ? 二维核（饱和浓度）：小岛间的距离?吸附原子的平均扩散距离、半径扩散距离 ? 小岛表面上的吸附原子经扩散均被小岛边缘所俘获 ? 层状生长 衬底材料与薄膜晶格匹配良好，一般为单晶薄膜，和衬底有确定的取向关系? 外延生长 靠近衬底的膜层其晶体结构类似于衬底，只是到一定的厚度时，才逐渐由刃位错过渡到该材料固有的晶体结构 Pd/Au、PbSe/PbS、Au/MoS2 三、层核生长型（Stranski－Krastanob型） 在衬底表面上生长1－2层单原子层，这种二维结构强烈地受衬底晶格的影响，晶格常数会有较大的畸变。然后，再在这些原子层上吸附沉积原子，并以核生长的方式形成小岛，最终形成薄膜。 在半导体表面沉积金属薄膜时，常常呈现层核生长型。 如：在Ge表面蒸发Cd，在Si表面蒸发Bi、Ag等都属于此类型。 同相外延：A原子在A衬底上的外延 异相外延：A原子在B衬底上的外延 同相外延时，在A衬底上的A原子团簇可以有多种组态，在温度高，原子容易迁移时，多种组态会趋向一个最稳定的组态。 简单立方晶体（001）面：四个原子，最近邻 排成一行：7个AA原子键（和衬底4个，沉积原子间3个） 能量降低7uAA 排成正方形：8个AA原子键（和衬底4个，沉积原子间4个） 能量降低8uAA 因此，4个原子的正方形组态最为稳定 初浅的考虑：热力学角度 沉积原子数相同条件下一层沉积原子组态和双层（或多层）沉积原子组态的稳定性 8个沉积原子 密排成双层正方形：能量降低16uAA 密