薄膜生长模式

薄膜生长模式(Modes of thin-film growth)指的是薄膜在材料表面的外延成长中不同的生长机制,由于1958年系统化地归纳为三大类型:岛状生长模式(即Volmer-Weber模式)、层状生长模式(即Frank–van der Merwe模式)和岛状/层状生长模式(即斯特兰斯基-克拉斯坦诺夫模式)。

基本生长模式
岛状生长模式
岛状生长模式又称Volmer-Weber模式、VM模式,得名于和A. 韦伯。在岛状生长中,薄膜原子相互之间的束缚力强于衬底对薄膜原子的束缚力,导致薄膜原子在衬底表面直接成核生长出三维的原子岛。

层状生长模式
层状生长模式又称Frank–van der Merwe模式、FM模式,得名于和。在层状生长中,衬底对薄膜原子的束缚力强于薄膜原子之间的作用力,导致薄膜遵循严格的二维生长——即直到完全生长完一层,下一层才开始生长。岛状/层状生长模式介于岛状生长模式与层状生长模式之间:在衬底上以二维方式生长一定厚度的薄膜之后,会开始以三维形式生长原子岛。,可通过考虑距离表面最近的几层原子的化学势来确定生长机制。1995年,伊万·马尔可夫提出原子层内单原子的化学势模型:

:\mu(n) = \mu_\infty +[\varphi_a - \varphi_a'(n) + \varepsilon_d(n) + \varepsilon_e(n)]

其中 \mu_\infty 表示吸附材料的体化学势(bulk chemical potential),\varphi_a 表示浸润层吸附原子的脱附能(desorption energy),\varphi_a'(n) 表示衬底吸附原子的脱附能,\varepsilon_d(n) 表示每个原子的位错错配能(misfit dislocation energy),\varepsilon_e(n) 表示每个原子的同质应变能(homogeneous strain energy)。在一般情况下,\varphi_a、\varphi_a'(n)、\varepsilon_d(n) 和 \varepsilon_e(n) 的值与薄膜的厚度,以及衬底和薄膜之间的位错有着极为复杂的关系。在应变很小的情况下(即 \varepsilon_{d,e}(n) \ll \mu_\infty),薄膜的生长模式取决于 \frac{d\mu}{dn} 的值:

  • 岛状生长模式:\frac{d\mu}{dn} (表层原子的凝聚力强于衬底表面的黏附力)
  • 层状生长模式:\frac{d\mu}{dn} > 0 (衬底表面的黏附力强于表层原子的凝聚力)
  • 岛状/层状生长模式:原始衬底上的生长模式为层状生长模式(即 \frac{d\mu}{dn} > 0);当后来生长的薄膜达到某个临界厚度时,在薄膜上继续生长薄膜将出现 \frac{d\mu}{dn} 的情况,即生长模式转变为岛状生长模式。

实验测量
在实际的科学实验中,可以运用多种手段判断薄膜生长的模式,包括透射电子显微镜或扫描隧道显微镜(直接测量表面形貌),低能电子衍射或(通过测量衍射强度的振荡),以及俄歇电子能谱。

注释
参考文献

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