薄膜生长第10章.ppt

薄膜与表面物理,第十章金属薄膜的生长,第十章金属薄膜的生长,相对于半导体和氧化物薄膜，金属薄膜的生长最为简单。本章将介绍金属超薄膜的生长过程和多层金属膜的生长。,10.1金属超薄膜的成核过程,根据第九章成核理论，临界晶核的原子数与成膜温度有关。在较低温度下，临界晶核可以是单个增原子，而二聚体一般就是稳定晶核。由式(9.16)，如果在实验上测得成核率和R2成正比，则此时的临界晶核只包含一个原子。,10.1金属超薄膜的成核过程,9.6节向我们介绍了一些实验小组在20世纪70年代的一些实验结果：在碱卤化合物单晶上沉积贵金属时其起始成核率J和沉积速率的平方(R2)成正比，从而肯定此时的临界晶核只包含一个原子。,10.1金属超薄膜的成核过程,但上述结论是根据成核理论和对饱和核密度实验结果比较后得出的，并不是直接观察到晶核大小的实验结果。因为在上世纪70年代还没有STM，而TEM的分辨率为几十个纳米，一般不能发现只有几个原子的晶核。,10.1金属超薄膜的成核过程,90年代Brune等利用STM研究了Ag在Pt(111)上的成核过程，直接观察到在50110K温度范围内，临界晶核就是单个Ag原子，二聚体就是稳定晶核。,10.1金属超薄膜的成核过程,实验过程：P.217。针尖影响使像变大亮点直径0.70.8nm(原子直径0.20.3nm)覆盖度/晶核密度晶核中平均原子数，图10.1(a)和(b)。图10.1(c)：四个温度下晶核密度与覆盖度的双对数曲线。,10.1金属超薄膜的成核过程,10.1金属超薄膜的成核过程,由图可知，50K与60K时的曲线符合二聚体核的理论直线(虚线)，而75K和80K下的晶核密度在0.006和0.005ML时开始偏离直线去向饱和，这是由于晶核已经长大。图10.2：根据logN-1/T，可得出扩散激活能(图中有一个奇异点)。,图10.2：由logN-1/T的实验线性关系的斜率求出扩散激活能。,10.2二维晶核的形貌,当实验条件不同时，如衬底温度和沉积速率不同，二维晶核的生长会呈现出不同形貌：分形、枝晶形状和密排规则形状等。10.2.1二维岛的分形生长较低温度下金属超薄膜的生长呈分形生长，P.219给出两个例子。,10.2.1二维岛的分形生长,第二个例子中，分形维数为D=1.78，接近DLA生长图形1.66的值。表明较低温度下金属超薄膜分形生长近似于DLA(扩散限制聚集)生长。,10.2二维晶核的形貌,10.2.1二维岛的分形生长,原子吸附到稳定核之后会沿着核的边缘进一步扩散，所以实际的薄膜分形枝杈宽度比DLA图形的大(DLA生长的原则是吸附到核上后就不动了)。温度愈高，沿岛边缘的扩散愈显著，分形的枝杈愈宽。,10.2.1二维岛的分形生长,实验得出：金属薄膜分形生长仅限于面心立方金属的(111)和密排六角金属的(0001)等密排六角表面上，在非最密排的正方(001)上还没有观察到。原因如下：(1)P.219(错了)(2)P.220(3)P.220,10.2.1二维岛的分形生长,之所以在在非最密排的(001)上还没有观察到分形生长，关键因素是图10.4所示的势垒。见P.220。利用扩散势垒的计算机模拟得出：在密排六角衬底上的岛近于分形，而在正方衬底上岛的形状接近规则外形。见P.220。,10.2二维晶核的形貌,10.2.1二维岛的分形生长,要使模拟得到的图形的枝杈宽度随温度的变化和实验一致，还需要考虑密排六角衬底上绕过岛角的扩散的各向异性，这种各向异性表示在图10.5中，扩散可以有两种路径：1.沿沟迁移；2.越顶迁移,10.2二维晶核的形貌,10.2.2二维岛的枝晶状生长,外部条件：中等生长温度条件下。这时增原子沿核周界的扩散增强，同时由于衬底表面的各向异性性质，岛的形状会成为枝晶状。枝晶的轮廓形成比较规则的外形，类似雪花状。一般认为枝晶生长是生长过程的各向异性与随机性共同作用的结果。,10.2.2二维岛的枝晶状生长,随着生长条件的变化，可以观察到由分形生长向枝晶生长的转变。Ag/Pt(111)生长温度为130K时，改变R，Ag图形就由分形生长转变为枝晶生长；Pt/Pt(111)由180K增大到245K时发生转变，见图10.6。,10.2二维晶核的形貌,10.2.3二维岛的规则形状生长,外部条件：较高生长温度条件下。随着温度的进一步升高，增原子在晶核周界上的迁移率也增大，晶核的生长将由枝叉状转向规则形状生长，见图10.7。,10.2二维晶核的形貌,10.2二维晶核的形貌,10.2二维晶核的形貌,上述分形生长、枝晶状生长、规则形状生长等形貌的形成，主要受下面三个因素的影响：1.衬底表面的对称性2.增原子在表面的迁移率3.增原子沿岛周界的迁移率解释见P.224。,10.3准二维逐层生长和再现的逐层生长,10.3.1准二维逐层生长沉积原子的量接近整数ML时，由于岛的连接，粗糙度可以达到极小，此时退火，可以使粗糙度不断减小。沉积原子的量接近半数ML时，粗糙度最大。见P.225及图10.9,10.3准二维逐层生长和再现的逐层生长,10.3准二维逐层生长和再现的逐层生长,10.3.2生长模式的实验研究根据反射高能电子衍射(RHEED)反射强度的振荡与否可以判断薄膜生长的不同模式。振荡对应着薄膜的准二维逐层生长，这时粗糙度随着生长时间振荡，RHEED反射强度亦随之振荡。见P.226及P.242图11.2。,两种生长方式的RHEED研究,10.3准二维逐层生长和再现的逐层生长,10.3.3再现的逐层生长Pt/Pt(111)外延生长的热原子散射(TEAS)研究也证实了它在不同温度下有不同的生长模式，见P.226。,准二维逐层生长和再现的逐层生长,10.3准二维逐层生长和再现的逐层生长,10.3.4“台阶流动”生长现象条件：较高生长温度或较低沉积速率条件下，见P.227及图11.1。10.3.5上层B原子和下层A原子互扩散形成合金层应变因素，见P.228。,台阶流动和二维成核,10.4表面剂对二维逐层生长的促进作用,表面剂是动力学上有利于薄膜逐层生长的元素，利用它可以减小薄膜的表面粗糙度。而且它在薄膜逐层生长过程中不断上升到表面而持续发生作用。一般用量很少。,10.4表面剂对二维逐层生长的促进作用,图10.11(a)没有蒸发表面剂，图(b)蒸发了表面剂后，变成二维岛。用图10.11(c)模型加以解释。Zhang等对表面剂诱导逐层生长机制作了模拟研究，提出提高逐层生长能力的四种机制。,表面剂对二维逐层生长的促进作用,10.5巨磁电阻薄膜的生长,磁性金属薄膜的电阻随磁场的引入有1%3%的变化，难以得到高密度的信息读写功能，不能满足实用要求。1988年在铁磁金属/非铁磁金属/铁磁金属(如Fe/Cr/Fe)多层膜中发现在室温下其磁电阻的变化达25%，这种现象被称为巨磁电阻(GMR)。,10.5巨磁电阻薄膜的生长,1988年，法国物理学家艾尔伯-费尔和德国物理学家皮特-葛伦伯格分别发现了巨磁电阻效应，1994年IBM公司利用具有巨磁电阻效应的多层金属膜(自旋阀)制成了读磁盘信息的硬磁盘磁头，大大提高了磁记录密度。,10.5巨磁电阻薄膜的生长,1997年该技术第一次正式投入实际应用，很快便成为一项标准技术，如今最尖端的读取技术也不过是巨磁电阻效应技术的进一步发展而已。艾尔伯-费尔和皮特-葛伦伯格因在巨磁电阻效应领域的贡献共同获得2007年诺贝尔物理学奖。,10.5巨磁电阻薄膜的生长,10.5.1巨磁电阻多层金属膜一、巨磁电阻原理铁磁金属磁性原因：3d电子的量子力学交换作用，最终使得金属原子带有磁矩。Mott的二流体模型，P.231。,巨磁电阻薄膜的生长,10.5巨磁电阻薄膜的生长,10.5.1巨磁电阻多层金属膜二、多层膜自旋阀结构由钉扎层、自由层、隔离层Cu和保护层组成，P.232。,10.5巨磁电阻薄膜的生长,10.5巨磁电阻薄膜的生长,10.5.1巨磁电阻多层金属膜三、R/R随隔离层厚度的震荡现象四、磁性隧道结五、巨磁电阻多层膜制备六、对巨磁电阻多层膜不同金属界面及磁性多层膜生长的研究七、其它磁性薄膜的研究,10.5巨磁电阻薄膜的生长,10.5.2巨磁电阻金属颗粒膜巨磁电阻金属颗粒膜金属颗粒膜出现巨磁电阻的原因巨磁电阻金属颗粒膜存在的主要问题以绝缘体为基体的金属颗粒膜,10.5巨磁电阻薄膜的生长,最新进展Co掺杂ZnO稀磁半导体薄膜磁电阻研究，溅射。FeCrNi与碳复合的颗粒膜：颗粒膜相对于多层膜和坡莫合金来说，没有磁畴壁，无对应噪声，制备简单，溅射、退火扩散。,10.6作为软射线元件的周期性多层膜的生长及其热稳定性,这种薄膜是一种重轻