（凝聚态物理专业论文）金属与高聚物薄膜的分形分析和扫描探针显微镜研究.pdf

摘班 摘要 本论文主要由两部分构成，前一部分是有关薄膜的分形研究，包括超薄金属 麒的多中心分形生长、a u g e 体系的分形生长、多重分形谱在薄膜中的应用；论 文的后半部分讨论了商聚物薄膜的玻璃化转变问题，利用扫描探针显微镜( s p m ) 通过观测高聚物薄膜的形貌和摩擦力的变化，研究了高聚物薄膜玻璃化转变的动 力学行为，并讨沦了热效应和扫拙尺寸对测量结果的影响 f 在引言中，介绍了有关分形的一些基本概念，包括分形、分维数和多重分形， 慨述了薄膜的生长模式及薄膜的生长条件对所得形貌的影响，比较了常用的两种 薄膜形貌观察方法一s p m 和透射电子显微镜( t e m ) 的各自特点此外，对高聚物 薄膜的玻璃化转变研究也进行了概述 第二章着重利用m o n t e c a r l o 方法进行了超薄膜多中心分形生长的计算机模 拟，研究了具有不同的最大允许扩敞步长w 的增原子形成的超薄膜多中心生 氏当增原子即时粘上集团时形成分形生长，若允许增原子绕集团行走则形成密 集生长模拟结果显示：( 1 ) 随扩散步数w 的增加，形成的团簇数目减少；在相同 扩敞步数条件下，分形生长存在屏蔽效应，从而使密集生长得到比分形生长更多 的团簇数日；( 2 ) 分形生长过程中，分维数随团簇大小的增加而增加；( 3 ) 成核率 随时问的增大急速减小；( 4 ) 团簇长大过程满足s 一( f 岛) 关系由于团簇间的 分流效应，k 比经典扩散控制机制给出的l 略小长大过程中还会出现非线性效 应，表现为愈是大的团簇生长得愈快( 1 c 愈大) 筇三章侧重a u g e 薄膜分形晶化方面的研究，包括两个不同的实验。第一是 利用t e m 对不同a “g e 厚度比的双层膜在1 1 0 1 3 0 0 c 温度和不同时间退火条件 下的分形晶化生长过程进行了原位观察，并根据晶化动力学理论对分形生长机制 进行了讨论结果发现：a _ g e 的分形品化生长可分为三个阶段：即快速生长、 稳态生长及慢速生长，对应的生长指数k 分别为大于l ，约等于1 和小于1 快 速生长阶段通常发生在晶化的初始阶段，相应的机制是扩敞和反应控制机理共同 作用，j 叮后两个阶段中生长速率的降低米源于生长花样周围的分形结构对a g e 输运的阻碍和耗尽作用，分形晶化形成花样的分维在1 6 1 7 左右 笫二个实验是利刖t e m 观察共蒸制备的业稳态的a u 0 6 g c o4 合金薄膜的形 貌和结构，研究不同温度退火时出现的分形品化特征。实验结果表明：未退火样 主要足由多晶a u 和亚稳念a u 0 6 g e o4 相及多晶g e 构成，1 0 0o c 退火时亚稳相 摘篮 快速艮火，川! 彳r 大量的层错条纹出现；1 5 0o c 退火后，业稳牛h 迅速分解，形成 以a u 为主体的、衬度为黑色的新的分形结构，其尺寸较大，可大于几个微米， 枝权较为粗糙，分维约为1 8 分析认为分形结构可能和亚稳念快速长大及分解 有关，足属于短程扩散控制的一种机制 第四章侧重多重分形谱在薄膜物理l l 的应用首先介绍了无规多重分形谱的 统计处理方法，并研究了多重分形谱在应用时出现的标度问题通过分析发现： 当用多重分形谱处理随机分布的图形时，包含很少缘素的图形碎片的提前出现及 象索不能按理论要求无限细分下去是导致多重分形谱产生异常的两个来源在理 解标度不变 = l ! 局限性的基础上，指出了扩展标度不变律范围从而提高多重分形谱 准确性的方法对多中心随机分形晶化图形和有机薄膜电致发光器件的失效图形 的多重分形谱研究表明：改进后的方法得到的多重分形谱可以更好地描述上述图 形的随机分柿特征 筇五章通过观察高聚物表面形貌的变化来研究高聚物薄膜的玻璃化转变问 题利用原子力显微镜( a f m ) 测量了不同温度及扫描速率对厚度为1 3 3 m 的 p 馏鲥薄膜表面形貌的变化发现在室温时表面易形成突起结构；在较高的温度 及合适的扫描速度下，可以产生周期宽度较大的堆起周期结构，周期宽度约为 1 0 0 n m 。重复扫描次数对周期堆起结构的影响说明该结构源于表面突起的不断聚 合，且堆起结构的形成需要高聚物材料有较高的模量。此外，在本章中还用r m s ￥i 糙度和多重分形谱表征了高聚物表面r m s 粗糙度结果表明：当高聚物在低 于玻璃化转变温度t g 时，表面粗糙度随扫描次数的增加而增加；当温度高于t g 时，r m s 将会有很明显的下降，对应于突起结构的消失多重分形谱的结果和 r m s 的基本一致：玻璃态时表面粗糙，橡胶态时，表面反而平整以上结果表 明了高聚物的突起结构可能只在玻璃态才能形成。 第六章讨论摩擦力显微镜( f f m ) 研究高聚物薄膜的玻璃化转变利用f f m 观测商聚物薄膜的摩擦力随温度( 2 0 7 0 0 c ) 及扫描速率的变化，并根据高聚物粘 弹性的时温等效原理对实验数据进行了分析得到的结论是：( 1 ) 高聚物的杨氏模 量从玻璃态到橡胶念急剧下降，导致处于低温玻璃态的商聚物薄膜的摩擦力随外 力呈线性变化特征，而在高温类橡胶态呈非线性特征( 2 ) 不同外力下薄膜的摩 擦力随扫扪速率变化的主曲线均出现一个对应于薄膜的玻璃一橡胶态转变的摩擦 力峰( 3 ) 池腆粘弹性的动力学行为不依赖于外压力并和体材料的相同，说j p 埘删薄膜表i f l i 处高分予的松弛运动和体材料的相比并没有明显的增强本章从 摘要 f f m 测f i 一还发现：压强效应和热效应均影响摩擦力峰对应的t g 。前者使t g 随外力的j 前加或随扫描尺寸的减小向低温方向移动；后者使t g 随外力的增加向 r 西温方阳移动 笫七章简单研究了不刚温度下f f m 测量中扫描尺寸对p 培训薄膜摩擦力的 影响在l o n m 到3 0 0 n m 扫描尺寸范围i 勺摩擦力随扫描尺寸的增大而增加，但 n ! 更大的扫描尺_ 、j 训，摩擦力将出现饱和甚至减小对摩擦力回线的观测表明： 托较大的扫描尺寸h 、j 回线呈现类似摩擦力原予象中的粘滑特征通过对比扫拙 尺、j + 对消沽s i 0 2 腆表面摩擦力的影l 岫，上述商聚物薄膜摩擦力的扫描尺寸效应 w 以班i w 于扫描针尖和商分子链蜘的拉十f j 应变作门j ，以及分子链和针尖的粘接与 断裂作川 最后一章简要给出了对未来工作的一些想法及展望。 1 4 科学技术火，# i i j f 一卜沦文 a b s t r a c 【 a b s t r a c t t h et h c s i si sc o m p o s e do ft w op a n s t h ef o r m e r 向c u s e so nt h c 丘a c t a ls t u d yo f t h i nn l m ，i n c l u d i n gt h em u l t j p l e 抒a c t a lg r o 、v t ho fu l t m t h mm e t a lf i l i i l ，t h e 疗a c t a l g r o w m o f a u g ef i i m ，a n dt h ea p p l i c a t i o no f t h em u l t i 仔a c t a ls p e c t n l mm t h et h i i lm m p h y s i c s t h el a t t e rp a r td e a l sw i t ht h eg l a s s yt or u b b e rt r a n s i t i o no f t h ep o l y m e rn l m s t u d i e db ys c a 彻血gp r o b cm i c r o s c o p y ( s p m ) ，i n c l u d i n gt h ci i l f l u e n c eo ft 1 1 es c a l l l l i n g v c l o c i t ya n dt h et e m p c r a t u r co nt h em o r p h o l o g ya n dt h e 疗i c t i o no ft h e 捌飓t h e d y n a m i cb e h a v i o ro f t h ct r a n s i t i o n ，a n dt h eh e a ta i l dt h ep r c s s u r ee 腑c t s i nt h e 丘i c t i o n m e a s u r e m e n t i nt h cc h a p t e ro n e ，s e v e r a lb a s i cc o n c e p t s ，s u c ha sn a c t a l ，加c t a ld i m e n s i o na n d m u l t i f r a c t a l ，h a v eb e e ni n t r o d u c e dn r s t t h e n t h eg f o w t hm o d eo f t h et h i n 矗1 ma n dt h e i n n u c n c eo ft h eg r o 、v l hc o n d i t i o n sl l a v eb e e nr e v i e w e d m o r c 0 v e r ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s o 九、 ，oi m p o r t a n tm e t h o d so f t h ct o p o g r a p h i co b s e r v a t i o n ，s c a 肌i n gp r o b em i c m s c o p y ( s p m ) a 1 1 d t r a i l s m i s s i o ne l e c t r o nl t l i c r o s c o p y ( t e m ) ，h a v eb e e ne x p l a i l l e d a ti 嬲t ，t h c g l a s s yt or u b b e r t r a n s i t i o no f t h e p o l y m e r f l l i i ll l a sa l s op r e s c n t e d s i i l l p l y t h es i n m l a t i o no nt h em u l t i p l eg r o w t ho fu l t r a t h m 矧。mw i t hv a r i o u sm a x i m a l d m s i o n s t e p s w 南r a d a t o m l l a sb e e nc a f r i e do u t i t l t h ec h a p t e r t w o i t j s f o u n d t h a t t h c 胁c t a lc i u s t e r sc a i lb e 岛r m e di f t h ea d a t o m s t o p sw a l i ( i n ga s s o o na si tt o u c h e st h e c i u s t e r a f l dt h ec o 删) a c tc l u s t e rc a nb ef o m 陀di 1 1 s t e a di ft h ea d a t o me t l a b l e sw a m i n g a r o u n dt h cc l u s f e ra n e ri tt o u c h e st h ec l u s t e r f u n h e rr e s u n sd e m o n s t m t et h a t ，( 1 ) t h c n u m b e ro ft h ec l u 吼c rd e c r e a s e sw i t ht 1 1 e i 1 1 c r e a s i i l gw ja n dt h ec l u s t e rn u m b e ro f 行a c t a lg r o 、v t hm o d ei ss f n a l l e rt l l a i lt h a to fc o m p a c tg r o 、v t ho n cd u et ot h es c r e e n e 脏c to ft h e 丘a c t a lb r a n c h e s ( 2 ) t h e 丘a c t a ld i m e n s i o ni n c r e a s e sw i i ht h ei n c r e a s i n g c l u s t e ra r e ai 1 1t h e 仔a c t a lg m 、t hm o d e ( 3 ) t h em t eo fn u c i e a t i o nd e c r e a s e sr a p i d l y w i i hg r o 、v l ht i m ef ( 4 ) t h ec l u s t e ra r c asc a j lb ed e s c r i b e db ys ( ，_ ，0 ) d u et ot h e d i m u e n c ee 脏c to f t h ca d a t o m s ，t h eg r o 诫hi n d e x 七i ss l i g h ts 嘲l l e rt h a nt h ec l a s s i c a l p r c d j c t i o nv a l u eo n c a n dt h en o n n n e a rf c a t u r e ，i e ，t h el a r g e r t h ec l u s t c rt h el a 唱e r t h c 七c a na l s ob ef o u n di i lt h ec l u s t e rg r o w t h t 、v os e r i c so fe x p e r i m e n t sa b o u tt h e 丘a c t a lc r y s t a l l i z a t i o no fa u g em m sa r e p r c s c n t c di nt 1 1 cc h 印t e r t h r c e t h em s to n cd e a l sw nt h ei n n u e n c eo ft h ea n n e a l i n g k | 科学技术人学i 啦：f 论文 a b s t r t c m p c r a t u r ca n dt h ct i m co n t h ep r o c e s s i n go f 仔a c t a lc r y s t a l l i z a t i o no fa “g e b i l a y e r n j mw i t hv a r i o u st h i c k n e s sr a t i o s ，w h e r et h c 疗a c t a lc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s e sa r e 加 f mo b s c r v c db yt e ma n dd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ec r y s t a l l i z a t i o nk i n e t i c st h e o r y t h er c s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ea r et 1 1 r e es t a g e si nt h cw h 0 1 e 舳c t a l c r y s t a l l i z a t i o n ，i e ， r a p i dg r o 、v t h ，s t a b l eg r o 、v t ha 1 1 d s l o wg r o 、v t h ，w i t hc o 仃e s p o n d i n gg r o 、v t hi i l d e x e s l a 唱e rt h a n ，e q u a lt o ，a i l ds m a l l e r t h a l lo n e ，r e s p e c t i v e l ym o r e o v e r ，“i sf o u n dt h a tt h e m e c h a n i s mo ft h er a p i ds t a g e ，m o s t l yr e l a t c dw i t ht h ei n i t i a lg r 0 、v t h i sc o n t r i b u t e dt o t h ed i 肋s i o nc o n t r 0 1a sw c l la st h er c a c t i o nc o n t r o l ，a n dt h cg r o 、v t hr a t ei sd e p r e s s e d b yt h cb l o c ka n dt h ed e p l e t i o ne f 诧c t so f t h ea l o r p h o u sg e n e a r b y i na d d i t i o n ，t h e 厅a c t a ld i m e n s i o no f 丘a c t a lp a t t e mi sa b o u tb e t w e e n1 6 1 7 t h es e c o n de x p e r i m e n t o ft h i s c h a p t e r s h o w st h eb e h a v i o ro ft h e 丘a c t a l c r y s t a l l i z a t i o n o fm e t a s t a b l e a u o6 g c o4f i l mp r e p a r e db yc o e v a p o r a t i o n t h es t r u c t u r e sa 1 1 dt h em o r p h o l o g i e so f t h cn l m sa n n e a l e d w i t hv a r i o u st e m p e r a t u r e sa r eo b s e r v e db yt e m t h er e s u n s d e m o n s t r a t ct h a tt h ea s d e p o s i t e dn l mi sc o m p o s e do f p o j y c r y s t a l l i i l ea u ，g ea n d m e t a s t a b l ea u o 6 g e o4 a f t e r 锄e a l e da t 10 0o cf o r3 0 m i n ，t h cn l e t a s t a b l e p h a s e g m w sr a p i d l ya n dm a j l ys t r i p e so c c u r i nt h ef i l m a n e ra n n e a h n ga tl5 0o cf o r3 0 i t l i n ， t h cm e t a s t a b l cp h a s ed e c o m p o s e si n t oa ua n dg er a p i d l y ，a n dn e w 丘a c t a lp a t t e m s d o m i n a t e d b y a uw i t ht h ed i i l l e l l s i o no f 1 8c a i lb ef o r m e d ，w i t hr o u 曲触c t a lb r a n c h a i l das i z ea sl a r g ea sm i c m m e t e lw i t hc o n t r a s tt ot h ea g g r e g a t i o n 触c t a lm o d e l s ，t h e f o r m a t i o nm c c h a n j s mo fs u c hf a c t a li sc o n t r o l l e db yt h es h o nd i f m s i o nr e l a t e dw i t h t h eg r o 州ho f t h em e t a s t a b l ep h a s ei 1 1t h ef m c h a p t e rf o u rd e a i sw i t ht h e 印p l i c a t i o no f t h cm u l t i 仔a c t a ls p e c t m mi nt h et h j n n l m p h y s i c s t h es t a t i s t i c a l m e t h o dp m c e s s i i l go nr a n d o mm u l t i f a c t a ls p e c t r u mi s i n t r o d u c c db r i c n ym s t ，a n dt h es c a l i i l gr a n g ei sa l s os t u d i e d t h ea m l y s i ss h o w st h a t t h e r ea r ct w oo r i g i n sw i t hr e s p o n s i b l et ot h ea b n o 锄a lf e a t u r ei nt h em u l t i f a c t a l 0 n e i st h a tt h es m a l lp i x e l 疗a g m e n tc a f lb em e tm o r ea 1 1 e a do f t h en o n l l a lp m c e s s i t l g ，a i l d t h co t h e ri st h a tt h ep i ) 【e l sc a nn o tb ed e c r e a s e di n f i n i t e l ya st h a tt h et h e o r yr e q u h d 、 b a s e do nt h es c a l ep o w e rl a w ，o n ep r a c t i c a lm e t h o dt oi 叫) r o v et h ca c c u r a c yo ft h e s p e c t r u mi sp m p o s e d t h e n ，t h em u l t i r a c t a ls p e c t r aa r e 印p l i e dt ot h cd e s c r i p t i o no f t h em u l t i p l ec l l i s t c r6 a c t a lc r y s t a l l i z a t i o na n dt h ef a i l u r ep a t t e m so ft h ee l e c t r i c a l l u m i n e s c e n c eo fo r g a n i cf i l m t h cr e s u l t si n d i c a t ct h a tt h c l o d i n e dm e t h o dc a n i j 利学技术大学 i qi 沦文 a b s t r a c t d c s c r i b ct h cd i s l r i b u t i o no f r a i l d o mp a t t c m sm o r es i g n i n c a n t l y t h eo b s e r v a t i o no ft h em o r p h o l o g ye v o l u t i o no f p o l y m e rf i l md u r i n gt h e9 1 a s s y t or u b b e rt r a l l s “i o ni sr e p o n e di nt h cc h a p t e rf i v e t h es t u d yi sp e r t o r n l e do np 馏棚 n l mw i t h13 3 n mt h i c k n e s s u s i n ga f mw i t h v a r i o u st e n l p e m t u r e sa j l d s c a n n i n g v c i o c i t i c s t h cr c s u l t sd e m o n s t m t et h a tt h eb u m ps t r u c t u r c sc a i lb ec r e a t e do nt h ef i l m s u r f a c en e a rm o m t e m p e r a t u r ca i l d t h ep e r i o d i cb u n d l es t r u c t u r e s ，w “hp e r i o do f 1o o n r n ，c a nb ef o r m e da th i g h e rt e i n p e r a t u r e sw m l a p p r o p r i a t es c a 衄i n gv e l o c i t i e s n i sf o u n dt h a tt h eb u n d l es t r u c t u r ei so r i g m a t e d 丘d mt h eb u m p a g g r e g a t i o n o nt h ef i i m s u r n c ea n dr a t h e ri a r g em o d u j u so f t h ep o i y m e ri se s s e n t i a l 旬rf b r m i n gs u c hs t r u c t u r e a d d i t i o n a l l y ，t h es u r f a c em o r p h o i o g yo fp o l y m e rf i l mi sa m l y z c d b yr m sr o u g h n e s s a n dt h e 舢l t i 丘a c t a ls p e c t r u m t h er m ss t l o w st h a tt h em u g h n c s si i l c r e a s e sw i t ht h e j n c r e a s eo fr e p e a t e d s c a n n j n g t j 脚e s 、v h e n t e n l p c r a t l l r etj s l o w c rt h a nt g ，a n d d e c r c a s e sa p p a r e n t l yd u et o d i s a p p e a r a n c eo f t h eb u r l d l ew h e nti sh i g h e rt h a nt g t h em u l t i 矗a c t a ls p e c t r u mr e s u l t sa r ec o i l s i s t e n t 晰t ht h a to f r m s ，i e t h es u r f a c eo f t h cn l ms h o w sr o u 曲i nt h eg l a s s ys t a t eb u tc h a i l g e si n l os m o o t hi 1 1m b b e rs t a t e a i l a b o v er e s u l t si 1 1 d i c a t et h a tt h eb 咖d l es t r u c t u r ec a r ib c 南m e di ng l a s s ys t a l er n o s t l y t h ef f mi se m p l o y e dt od e t e c tt h eg l a s s yt om b b e rt r a n s “i o no f p t b u a f i l mw i t h v a r i o u st c m p c r a t u r c sa i l ds c 锄i n gv e l o c i t i e si nt h ec h 印t e rs i x t h e 丘i c t i o nd a t aa r e a n a i y z c da c c o r d i n gt o t 1 1 e e q u i v a l e n tp r i n c i p l eo ft h ct i r n ea n dt e m p e r a t u r eo ft h e v i s c o e i a s t i cp m p e n i e so fp o l y m e r t h er e s u l t si n d i c a t e t l a t ，( 1 ) d u et ot h cd r a s c i c d e c r c a s eo f y o u n gm o d u l u so f t h ep o l y m e r 在o mg l a s s yt or u b b e rs t a t e ，t h e 行i c t i o n s h o w sj i n e a r d e p e n d e n c e o nt h ee x e m a il o a di n1 0 wt e m p e r a t u r cb u tn o n 妇e a r d e p e n d e n c ei nh i g ht e r n p e r a t u r e ( 2 ) o n e 抒i c t i o np e a _ kc o r r e s p o n d i l l gt ot h e9 1 a s s yt o r u b b e r t m n s “i o nc a nb ef o u n di nt h e 行i c t i o nm a s t e rc u r v e ( 3 ) t h cd y n a m i cb e | l a v i o r o f t h cn l m ，i n d e p e n d e mo f t h ee x t e r n a l l o a d ，i st h es a m ea st h a to f t h eb u l i ( w i t h i nt h e c x p e r i m e n tu n c e r t a i n t y ，、“1 i c hi m p l i e s t h a tt h er e h x a t i o nc b a r a c t e r i s t i co ft h e m a c r o m o l e c u l e sa tt h ef i l ms u r f a c eh a sn oe v i d e n te n h a n c e m e ma sc o m d a r e dw i t h t h o s co ft 1 1 e b u l k f u n h e r ，t h eh e a te 色c ti sf o u n dt os l l i rt gt o w a r d st h el o w e r t c m p e r a t u r ew i t ht h ei n c r c a s i n ge x t e m a l l o a do rt h ed e c r e a s i i l gs c a i m i l l gr a n g e ，w h i l e t h cp r e s s u r ee 恐c ts h i f t st gt ot h eh 追h e rt e m p e r a t u r ew i t ht h ei n c r e a s i n ge x t e r n a l l o a d 1 4 科学技术犬i m ：论文 b 甜r a c c t h cc h a p l c rs c v c nd c m o n s t r a t e sb r i e n yt h es c a n n i n gr a n g ee 脏c t so nt h e 仔i c t i o n m e a s u r e m e n to nt h ep o l y m e rf i l m i ti sf o u n dt h a tt h e 仔i c t i o ni t l c r e a s e sw “ht h e s c a n n i n gr 趴g e 厅o m1 0 n mt o 1 0 0 n mb u ts a t l l r a t e so rd e c r e a s e sa tr a t h e r l a r g e s c a n n i n gr a n g ea n dt h e 丘i c t i o n1 0 0 p sd e m o n s t r a t es t k k s l i p 一1 m eb e h a v i o rw i t hl a 唱e s c a n n i n gr a n g c c o m p a r i n gw i t ht h ee x p e r i m c n t a lr e s u l t sp e r f b m l e do nc l e a ns i 0 2 珂m ，t h es c a 加i n gr a n g ee 腩c tc a n b ea t t r i b u t e dt ot h ei n t e m c t i o i l sb e t w e e nt h ct i pa n d t h em o l e c u l a rc h a i n s ，s u c ha ss t i c k ，s t r a 访a r df 醐u 茁e j nt h ec h a p t e r e i g h t ，s o m ep m s p e c t a n d p m p o s a i a r ep r c s e n tb r i e n y i j 年 、披术火学i i | ff 沦丈致谢 致谢 r 工工3 口2 如小没有父r i 勤教授和j ：| = f 旭东教授的悉心指导及帮助，本文是难以完成的，因此阿先匈 他们致以我发f 1l j = | 心的最衷心的感激! 多年术，父先，l 为学生倾注了人 i t 的心m ，无沦从课题的选扦，还足列结果的分析讨论， e 至对论文的详细修止，父先，f 身上均盟示了老一辈科学家追求真理、严谨治学的科学精神， 也为我们f 轻的科i ! j fl ：作者树立了楷模。在论文的完成过 。驯，先生热情鼓励、诲人不倦， 使学_ i 终牛受瓶。 论文的k i 半i ； i j 分足在萧旭尔教授直接指导下完成的。礼香港科技大学他领导的研究小组 吖j 人家都亲切地称i 吁他为“萧博p 。的确，萧博七对物理有m 常敏感的直觉和洞察力， 他刈、实验的改计、训划及数据的采集不但儿订科学的严谨性，还体现出一个山色的实验物理 学家的灵巧，无疑他足学生终生学习及追寻的榜样。他时常教导学牛对物理问题要追寻本质， 对实验i ：作篮全面仔细，使学生深受教益。此外，是他提供学生7 i 机会从事s p m 方而的研 究l ：作，“他小鲥【的蚺年锻炼，为将来的科研奠定了坚实的基础。 饮水思源，我要感激中国科技人学的刘文汉教授，足他在 i 年前担任物理系上任的期间， 敛励我继续攻读博二l 学化，现在看术他的劝告足：作常止确的。 找还婴感谢香港科技人学物理系的徐l = i ! 翠( o k c t s u i ) 教授，她带领我进入一个对我米 说足完全崭新的领域一肝肥高聚物薄膜办而的1 i j f 究。在她的关心f ，我才能在此领域有所收 扶。 我要感酣t l ，囤科技人学的张庶元教授、李伯泉博一f ：、孙霞i 尊士等人神：实验及分析方面给 “门热t - j j c ；l 协和人力支持。 小科技人学的侯建国教授让我，i ：返校肝7 r 机会进入一个充满生机的研究小组，f 使我 榭以继续从，打s p m 方面的研究l 作，在此向他致以深深的谢意。此外感谢i i 兵l 薄| ：、解莞 挣老! j f f j 力f 1 ；和! l 活方而的灭心和帮助。 拒卉沁的蚺年t h 蔡磊先生、门明先生、郭建东先生、张保朴先生、邹璐小姐等人给， 找 k 多的矧仍，陪我度过了人! l 中十分有意心的、令人难忘的一段时光，我们之问也秘累了 深j 孕的友叶，我会永远记住他们。 我要感埘q 旧科技人学的赵特秀教授、刘宏l 到教授对我实验一i ：作能力的培养，还要感谢 吖i f q 科技人学物理系主任f 蚶海教授、刘磁辉驯教授肘我的关心用i 激励。 朱弘剐救授、椎宏宾剐教授、韩止甫副教授等人年| l 我之问的年 i 且鼓励也对本文顺利完成 起了搬人的作川，在此阳他们农_ i 厶我热情的谢意。 破厉，我要感谢我的家人。感谢父母多年的养f r 之恩，感谢我太太谢文对我。i ：作的支持 利耻斛，足她承担了火部分琐砰的家孙l ：作，才使我得以安心：l 作，完成论文。感谢我的儿 f l i 舒i 州矧 给我的快乐羽i 欣慰。我永远发着你们。 下晓， 2 0 0 l 8 h 科学技术大学膊卜沦文第章引 第一章引言 薄膜生长是一古老但始终充满诱惑力的课题，因此每年在薄膜研究方面的科 学报道数以万计。由于薄膜的生长过程是个非平衡过程，所以许多参数，例如沉 积速率、衬底温度及品格取向、表面活性剂等都会影响薄膜最后形成的形貌和结 构。这罩，我们将主要集中在薄膜的生长过程和薄膜的表面形貌观察方法两方面 进行简单论述。由于论述中将涉及分形概念及其相关的一些基本处理方法，所以 首先简要介绍分形的有关内容。在本章中，还将介绍高聚物的玻璃化转变概念及 简述高聚物薄膜的玻璃化转变研究问题。 1 1 分形、分维数及多重分形 分形一词首先是由曼德勃罗特在7 0 年代引入的 1 。分形最重要的特性是它 必须有自相似性，而且一般来说它的豪斯道夫维数大于其拓扑维数。 分形的自相似性，即标度不变性，对于数学模型是严格成立的。但在物理学 或其它自然界中出现的分形，其自相似性只是近似的无规分形，它的标度不变性 只在一定的范围内成立。因此在讨论无规分形现象时，需要说明其满足标度不变 性的范围 2 。 分形图形的维数一般不是整数，因此被称为分维。常用的计算或测量分维数 的方法主要有盒计数( b o xc o u n t i n g ) 法、s a n d b o x 法、面积一回转半径 ( a r e a r a d i u s o f g y r a t i o n ) 法和密度一密度相关函数( d e n s i t y d e n s i t y c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ) 法 3 。为了下面论述的需要，现将盒计数法以二维图形 为例介绍简单分维的计算。 图1 1 典型分形图形( 左上角) 的盒记数算法示意i 笙| 陶科学技术大学博士论文 第章弓i亩 图1 1 插图为典型的扩散限制聚合( d l a ) 模型形成的图形。设该图的整个 边长为l ，用间隔为= m l ( m 是可以被l 整除的任意整数，1 ) 的网格去将其 覆盖，并统计得出所有边长为的小方格中包含有图形枝杈的方格数为n ( ) 。显 然越小，n ( ) 也越大，一般可表为n ( ) 一。做l o g n ( ) 一l o g ( 1 ) 双对数图， 如果在某一范围内该曲线为一直线，则图形为分形结构，对应的范围即为标度不 变范围，直线的斜率给出分维d 。 事实上，自然界中出现的分形是非常复杂多样的，仅用一个简单的分维不足 以描述它的精细结构，因此需要用引入多重分形 4 。下面就以规则多重分形进 行阐述 5 。 图1 2 ( a ) 和( b ) 是两种一维的规则多重分形。图1 2 ( a ) 是一种质量分布不均匀 的c a m o r 集，每操作一次原有线段除了中间一段l 3 舍去之外，余下两段的质量 ( 或其他物理量) 分布概率分别为0 6 ( 较粗的线段) 和o 4 ( 较细的线段) ， ell _ _ 8 = 1 ，3 _ l 一 e 。l ，3 2 _ 一 序。i i i ii i i 翻1 2 两种一维的多重分形c a n t o r 集( 黑色：二分集，白色：三分集) 且总质量保持不变( 而简单常规的c a n t o r 集则每操作一次，余下线段的质量分 布都是均匀的) 。这样操作下去，