第十一章 薄膜生长的成核长大热力学与动力学

薄膜生长的成核增长热力学、临界核、核活化能(热力学模型)成核原子模型薄膜生长的三种模式，本章要求：临界核的概念和影响因素三种增长模式的条件，气固平衡条件：气体凝结时自由能的变化：单个原子在凝结过程中的自由能减少量，即这种固相和气相状态的自由S=(p-p0)/p0表征过度饱和，凝结过程导致系统的自由能变化：聚合项不同，w表示单个原子的体积，球形固相或液芯：均匀核(均匀核):Capillaritytheory，RC饱和曲线不足？临界半径：讨论：a，Dm，t的影响，临界尺寸和核生成操作的物理意义，核生成操作，S=(p-p0)/p0，多面体核心：面心立方晶体的平衡外角八面体，成核工作，最近接近，等等，自由能变化图，均匀相上的成核速度(稳定核与时间的关系):N*是临界核密度，A*是临界核的表面积，j是流入临界晶核表面并凝结的原子的流动，ns是所有可能的核生成点的密度，AC是描述原子附着到固体核表面的能力的常数。主要影响项目包括指数项目：过度饱和，基板上的非均匀核生成：球管区域：界面区域：力平衡：基板简化为非结构基板，表面和界面引起的能量变化：临界半径：非均匀核生成操作总是小于均匀核生成操作，但临界半径是均匀核生成和非均匀核生成，1，q=0，成核操作=0，临界半径仍然存在。矛盾？2，考虑应变项后，3，与均匀核的比较，RC，讨论：温度和沉积速率的影响：讨论：t，r，一般情况下，温度和沉积速度对微结构的影响：Cu/NaCl(111)，原子核形态为四重柱：多元函数极值：讨论：是否可以使用体积关系考虑纳米线在基板上的生长？ZnO 6字盘，6角柱，晶核形状为圆柱：多元函数极值：二维核生成时的成核操作：自由能变化：基板上形成单个原子层的二维核也需要特定的成核操作。变形的情况：三维核和二维成核转换？在某些情况下比较：基底缺陷上的核生成：核生成操作：2，核生成原子模型，超饱和大时n 小，热力学模型的基本假设：I .核的形状与大小无关；二.原子核的表面自由能和体积自由能与身体材料相同。上述两个假设都不成立。像由13个原子组成的原子核一样的表面能量比曲率半径无限时小15%，均匀地原子核：3原子，直线形成2个键，等边三角形形成3个键，4原子，5原子，。无论晶体对称与否，都可能与对称不同，热力学模型，晶核大小，包含的原子数，所有可能的原子构成，各种构成的能量，接近性，一般考虑过程：非均匀核生成：简单立方体：表面和界面为净递增能量：3，薄膜生长的三种模式， 共8个AA键，8个原子，共18个AA键，双层，共16个AA键，单层，异质外延时单核和双核：简单立方，du1=-8 uAB-10 uaa，du2=也就是说，UAA2UAB，AA键比AB键强很多。a原子将尽可能地结合，并将基板b原子形成的ab键数最小化，以形成岛生长模式。，思想：棉心积累时单核和双核的比较？有压力时的比较？完全没有湿的零关系：完全没有湿的零关系：核形成模式的宏观理论和微观理论的关系，渗透和结合能量的关系：岛生长，分层生长，分层岛形状，volmer-Weber，str anski-krastantanning，二维生长中临界核的大小：单原子层，不饱和也可以是核，AES光谱分析了薄膜生长的三种模式。问题1: a/b和B/A？-嗯？问题2:利用原子模型在同质外延生长时，在层状或扭曲的地方形成核。薄膜生长的基本过程，热力学：判断过程如何进行：如何进行，热力学平衡时薄膜不能生长，薄膜生长的成核生长动力学，吸附、解吸和扩散的关系与核增长的动力学启动沉积过程的分类核速度稳定核密度耦合过程和成熟过程核增长过程的计算机模拟，本章要求：核生成增长动力学方程是温度，射流速度对核生成过程的影响，单位时间内入射表面的原子流密度，1，吸附，解吸和扩散之间的关系，气体分子密度，气体分子平均速度，J0到p，解吸原子流密度：复射速度，n吸附原子浓度Ea是吸附能量v是垂直振动频率，吸附原子在基板上存在的时间，在缺陷(例如电位、相位、扭转)上的Ea值更大，因此如果有缺陷，并且在增加原子之间进行了耦合，则分离，除非聚集的重量是新分解的。讨论：平衡时，Jc=J0薄膜在不平衡状态下增长，JcJ0温度升高，沉积率降低，甚至不能沉积。在单位时间内吸附原子的行走阶段数：Ed是扩散激活能量v1是横向振动频率，一般EaEd温度变化对驻留时间影响更大，吸附原子存在于基板上的时间：吸附原子被捕获的可能性u，水平振动频率/垂直振动频率0.25，相同，吸附原子的扩散和，存在时间内吸附原子的总扩散阶段：存在时间内吸附原子可以到达的基板区域：N0是单位区域内的吸附位置，存在时间内原子可以吸附的基板范围的半径(例如原子不规则行走的ta时间后与原始位置的平均距离):1/N0，Ra；温度升高，Ra降低。，随着薄膜以layer-by-layer方式外延生长，原子必须扩散到生长边缘，距离约为100-1000原子距离，扩散系数约为10-8cm2/s，因此TE0.5TM半导体0.3TM金属0.1TM卤化物，初始沉积过程的分类，起始沉积过程中再蒸发的难度和沉积原子能遇到的程度之和，分为三类。所有增量原子的复盖范围，温度的影响，开始不易捕获沉积状态的位置ma和2N0，沉积原子在驻留时间内能遇到的概率，温度，原子总数？如果描述成核增长的基本方程，可以把成核过程看作一系列的双分子反应过程。上面的方程有太多的未知数，很难解，原子团可以分为两类，方程可以代替：1.1i稳定原子团，和化学反应中每个组分的浓度变化一样，可以写包含不同数量原子团的浓度变化：对于不稳定的晶核，精细平衡原理(局部平衡)成立，NX为了稳定原子核的总数。起始阶段，基本方程是，TTA后n1的增长速度慢，原子捕获位置数ma的总和增加，原子数增加，原子数增加，原子开始不容易沉积，相互竞争的过程：移动，蒸发，成核，开始不容易沉积状态开始不完全沉积状态，开始容易，开始不易的沉积状态和开始完全沉积状态下随时间变化的晶体核数和吸附原子数，Rt沉积总量，Rtb净沉积量(与稳定核数有关)，n1在达到平衡之前是否开始核，吸附和解吸平衡，沉积状态的转换：沉积高质量薄膜需要高沉积温度，但温度太高，初始沉积不易，因此提高温度的同时，可以提高沉积速度。转换所需的温度和沉积速度之间的关系。成核速度：单位时间单位面积稳定核的增长速度在统计上按平衡的各状态的占用概率，即不同大小不稳定核的数量不变的ei=DG *，精细平衡原理：描述系统变化的物理回归与时间明显无关时，可能导致时间反转对称的原始过程的转移概率等于逆过程的转移概率。也就是说，pij=pji。在统计物理中，这个逆序定理称为精细平衡原理，是时间反转对称的直接结果。示例：传热；物质扩散；电流，D1，D2，C1=1；C2=3；C3=2；C4=3，权值系数，临界核数：成核速度(临界核捕获一个原子后成为稳定核):w11为临界核捕获一个原子的概率，ma或ma I，ma，ra，特别的，临界原子核i=1点，E1=0，讨论：临界原子核只包含一个原子。Ag表示NaCl(100)中的核性和温度的关系，右上角是最小稳定核和临界核。i=1i=2i=3或I=1i=3.I=1i=2，临界核为单原子时的稳定晶体核密度，I=1，不完全沉积，沉积一段时间后稳定的晶核为NX，单位面积基板分为两部分，N0T2T3T4)，开始完全沉积的稳定晶体核密度：因原子密度高，因此在小于ta的时间内增加原子就被捕获。不规则步行时间(或单原子寿命)不再是ta，而是TC，在tc1、生长模式扩散阶段流对流阶段流对流阶段流二维核生成和生长统计中的粗糙生长、低沉积速率高扩散、高沉积速率低扩散、深孔加工数、其他因素：楼梯边缘的Schwoebel障碍，Ag(111)中Au核分布的STM图。平台的Au核是阶梯边缘的雪贝尔屏障。扩散到其他元素：曲面的各向异性，各向异性岛(与衬底曲面垂直的二聚链方向)。原子各向异性扩散形成的核的形式(二聚体链方向迅速扩散)。高温下，在b型步骤中扩散得更快，在b型步骤中不可能形成核(denudedzon)，a型步骤可能消失，形成双步骤。，0.1 mlsi，0.1 mlsi，563k，593k，dimer rows，b step，astep，overlayows，denuded，b step、kineticmimulationofiriblemodeling、MonteCarlo模拟和DLA模型，montecrlosimulationdla(diffusionlimited daggregation)hit-and-stickdlamodel，Monte caramodel，分形生长：DLA，扩散限制聚集，运动因子起作用，在低温高沉积速率下更为常见，hit-and-stickdlam