准自由支撑铝薄膜中有序表面结构的自组织生长-浙江大学物理系.PDFVIP

维普资讯 第 54卷 第 10期 2005年 10月 物 理 学 报 Vo1．54，N0．10，Ottoher，2005 1000．329O，20o5／54(1o)／4867·07 ACTA PHYSICA SINICA ⑥2005Chin．Phys．Soe． 准 自由支撑铝薄膜中有序表面结构的自组织生长* 张永炬 。 余森江 。 (台州学 院物理 系，浙江 临海 317000) (中国计量学院物理系 ，杭 州 310018) (浙江大学物理系 ，杭州 310027) (2005年 2月2日收到 ；2005年 2月28日收到修改稿) 利用真空热蒸发方法在液体基底表面成功制备 出具有 自由支撑边界条件的金属铝薄膜系统，研究了薄膜 中自 发形成 的 自边界向内部区域逐渐生长而呈带状分布的有序表面结构 ．该有序结构的形成与薄膜厚度 、沉积速率和 真空环境 中的生长时间等实验参数密切相关 ，其形成过程可用一个三阶段生长模型来描述 ．实验证明此类有序结 构是在薄膜 内应力作用下，铝原子及原子团簇在液体表面 自由扩散凝聚所致 ．进一步的理论研究表 明：基于特征 的边界条件和固液相互作用 ，该 自由支撑铝薄膜系统中包含 了丰富的正弦形 内应力分布 ，各种具有不同振幅和频 率 的正弦形 内应力 的合成可形成矩形状 畴块和带状有序结构 ． 关键词：液体基底 ，铝薄膜 ，自组织生长，有序结构 PACC：7360D，6855 则图案 ：由许多相互平行 的矩形状畴块紧密排列而 1．引 言 成的带状有序结构 ¨ ．实验证实此类有序结构与铁 原子 (或原子团簇)之 间的磁相互作用无关 ，而是 由 很早 以前 ，人们就发现相对简单 的系统可 以 自 薄膜 中存在的内应力引起 的．随后 的实验发现 ，沉 发产生非常复杂而规则的结构 ．由于此类结构蕴含 积在硅油基底表面的铝和金薄膜中也存在类似的带 着丰富的物理机理 ，并可广泛应用于实际的生产生 状有序结构 ¨，说明此类有序结构的形成不是由具 活 ，所以简单系统中形成 的复杂结构引起 了人们极 体的薄膜材料决定 ，而与金属薄膜生长在液体表面 大的关注 ，并逐渐成为 当今科 学研 究 的热 点之 这一特殊的物理体系有关 ．然而到 目前为止 ，此类 一 LJ 。。 ． 此类所谓 的自组织现象大量存在于具有不 结构的形成机理 ，特别是薄膜物质在 内应力作用下 同尺度的 自然体系中：如宇宙的星际物质和星云，宏 如何运动、如何凝聚而产生规则的结构，尚不清楚 ． 观的地表形貌…和颗粒物质 ，纳米尺度 的有机 晶 本文报道了生长在液体表面的铝薄膜中带状有序结 体 和多孔材料H]、半导体中的纳米晶粒 (包括纳米 构 的主要形貌特征和形成机理 ．实验结果表 明：此 团簇、纳米线 、纳米管等) 、晶体表面上规则排列 的 类有序结构一般 自薄膜边缘 向其 内部区域生长 ，整 纳米阵列 ]、由分子和超分子组织而成的复杂生物 体外形为宽度不断衰减的带状结构 ；有序结构在真 及非生物结构 ，等等 ．已有 的研究表 明：自组织现 空环境 中生长 ，一旦将样品暴露在大气中，有序结构 象的产生与体系内的相互作用密切相关 ；沉积在 的生长过程立即停止；有序结构的尺度一般为几十 固体基底和聚合物软基底上的薄膜物质能在内应力 微米到上百微米，因此实验 中可非常方便地采用光 作用下发生 自发迁移和凝聚现象，并最终形成特征 学显微镜观察