薄膜物理-CH7薄膜的形成

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1、薄膜的形成不同制备方法，其薄膜的形成机制不同，但存在共性问题。本章以真空蒸发制备薄膜为例，讨论薄膜形成问题。★凝结过程★核形成与生长★薄膜形成过程与生长模式★溅射薄膜的形成过程★薄膜的外延生长★薄膜形成过程的计算机模拟（阅读）薄膜的形成——凝结过程★凝结过程薄膜形成分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。吸附过程表面悬挂键：不饱和的化学键。吸附：入射到基片表面的气相原子被悬挂键吸引，束缚在表面的现象。物理吸附：由范德华力引起的吸附。化学吸附：由化学键结合力引起的吸附。基本概念薄膜的形成——凝结过程入射原子与基片作用与基片原子进行能量交换被吸附；能量较大的

2、吸附原子解吸附（二次蒸发）；不与基片原子进行能量交换，被基片表面反射。吸附过程的能量关系薄膜的形成——凝结过程Qp物理吸附热Qc化学吸附热Ed激活能（解吸能）薄膜的形成——凝结过程薄膜的形成——凝结过程入射原子的滞留时间式中，是单层原子的振动周期。薄膜的形成——凝结过程表面扩散过程吸附原子的表面扩散是凝结的必要条件原子扩散——形成原子对——凝聚表面扩散势垒表面扩散能吸附能薄膜的形成——凝结过程平均表面扩散时间吸附原子在吸附位置上的停留时间称为平均表面扩散时间，用表示。式中，是表面原子沿表面水平方向振动周期，平均表面扩散距离（设为相邻吸附位置间距）薄膜的形成——凝结过程凝

3、聚过程凝结过程是指吸附原子在基体表面形成原子对及其后续过程。吸附原子面密度吸附原子扩散迁移频率表面扩散能吸附能表面滞留时间吸附位置滞留时间吸附原子在滞留时间内迁移（距离）次数薄膜的形成——凝结过程吸附原子的捕获面积每个吸附原子的捕获面积：式中，是吸附位置密度，是吸附原子在滞留时间内的迁移距离。总捕获面积：捕获区内的吸附原子凝结，非捕获区吸附原子可以蒸发，也可以成核。返回上页薄膜的形成——凝结过程讨论：当时，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，也不能产生凝结。当时，发生部分凝结。平均每个吸附原子的捕获面积内有一个或两个吸附原子，可形成原子对或三原子团。

4、在滞留时间内，一部分吸附原子有可能重新蒸发掉。当时，每个吸附原子的捕获面积内至少有两个吸附原子。可形成原子对或更大的原子团，从而达到完全凝结。薄膜的形成——凝结过程薄膜制备时，要达到完全凝结的工艺设计原则：提高淀积速率降低基片温度选用吸附能大的基片薄膜的形成——凝结过程凝结过程的表征凝结系数单位时间内，完全凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比。粘附系数单位时间内，再凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比。薄膜的形成——凝结过程热适应系数表征入射气相（或分子）与基体表面碰撞时相互交换能量的程度的物理量成为热适应系数。式中、和分别表示入射气相原子、再蒸

5、发原子和基体温度。完全适应不完全适应完全不适应薄膜的形成——凝结过程薄膜的形成——核形成与生长★核形成与生长薄膜形成与生长的三种模式岛状生长模式（Volmer-Weber模式）层状生长模式（Frank-VanderMerwe模式）层岛混合模式（Stranski-Krastanov模式）大多数薄膜形成与生长过程都属于第一种模式，即在基片表面上吸附的气相原子凝结之后，首先形成晶核，核不断吸附气相原子形成小岛，岛吸附气相原子形成薄膜。薄膜的形成是由成核开始的。薄膜的形成——核形成与生长薄膜的形成——核形成与生长薄膜的形成——核形成与生长薄膜的形成——核形成与生长核形成与生长的

6、物理过程描述薄膜的形成——核形成与生长核形成理论解决问题：核的形成条件和生长速率成核理论不断发展，出现了若干种成核理论。归纳起来，基本上是两种理论：a.热力学界面能理论（毛细管现象理论、微滴理论）；b.原子聚集理论（统计理论）热力学界面能理论认为薄膜形成过程是由气相到吸附相、再到固相的相变过程，其中从吸附相到固相的转变是在基片表面上进行的。薄膜的形成——核形成与生长该理论将气相在固体表面上凝结成微液滴的核形成理论应用到薄膜形成过程的核形成问题研究。相变热力学基本概念凡是自发的相变，都应该伴随着体系自由能的降低（自由能的变化为负值）。液相区固相区物相与相变薄膜的形成——核

7、形成与生长相变过程的过饱和现象、新相生成困难SLGTPA△TB△T△P三相平衡相图和过饱和现象示意图PVP0L+G等温线P/P0>1凝聚P/P0<1蒸发LG薄膜的形成——核形成与生长表面相的概念成核：新相生成的初期阶段，包括：核的形成与成核速率问题。临界核：从相变热力学观点看，新相核（原子团）存在一个临界尺寸，称为临界核。比临界核尺寸大的核原子团是稳定的；比临界核尺寸小的原子是不稳定的。薄膜形成过程：气相小于临界核尺寸的原子团（表面相）大于临界核尺寸的原子团（固相）类液相薄膜的形成——核形成与生长体积自由能表面自由能单位体积自由能固相体积