【正文】 外延： A原子沉積到 B襯底上 從能量上看，異質(zhì)外延既可逐層生長，也可島狀生長，主要取決于 AB鍵能和 AA鍵能的大小。 在 fcc面心立方 (111)面上異質(zhì)外延情況類似。 如 A、 B原子尺寸差別太大，帶有失配位錯的外延結構也不能保持，此時在單層或幾層生長后將 出現(xiàn)島狀生長 。 A B α αˊ α θ 襯底上的球冠狀晶核 清潔晶體襯底上，薄膜生長的模式可分成三種： 1. 二維 (層狀 )生長 (Frankvan der Merwe)模式 浸潤角為零， B襯底上形成許多二維 A晶核，晶核長大后聯(lián) 接成單原子層，鋪滿襯底后繼續(xù)上述過程，一層層生長。 同質(zhì)薄膜生長時 , uAB=uAA，浸潤角 θ =0的條件 (αˊ =α +α ?)剛能滿足，此時的二維生長不能在欠飽和條件下發(fā)生。 應力部分釋放：小島可以無位錯 共格島 (coherent island) InAs島長大需消耗部分浸潤層： 2D3D轉(zhuǎn)變后，浸潤層厚度＜ Hcw。 H繼續(xù)增加，島尺寸、 密度增加，浸潤層 厚度增長相對較緩慢。 Si襯底上先生長 1ML的 As后，再外延生長 Ge， Ge外延層：生長模式 SK模式 層狀生長 FM模式。 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 D D D S S S (a) (b) (c) θ /ML 三種生長模式下 AES峰強度隨沉積量的變化 (a)三維島狀生長； (b)二維層狀生長后三維島狀生長； (c)二維層狀生長 (c)三維生長 三維島狀生長和二維層狀生長，對襯底的覆蓋度不同，使三種模式的曲線有各自的特征。 以上薄膜的成核和長大限于熱力學的范圍。 吸附原子中，有一小部分因能量稍大而再蒸發(fā)出去。 繼續(xù)生長，形成島與海峽構造： 1115nm階段。 這種區(qū)分依賴于：內(nèi)在條件：過程的激活能 外在條件：溫度、原子的沉積速率 如：再蒸發(fā)的激活能較高， 溫度足夠低時，增原子的再蒸發(fā)是動力學禁止過程 溫度足夠高時，它是動力學限制過程。 實際的襯底溫度總是足夠低，原子的沉積速率總是足夠高，使薄膜以一定的速率生長。 該晶核同陸續(xù)到達的原子，以及相鄰晶核的一部分，或者全部合并而生長，達到某一臨界值，開始變得穩(wěn)定。 沉積率 R 吸附 再蒸發(fā) 表面擴散 成核 互擴散 這些過程都是隨機過程，需要利用熱力學、統(tǒng)計物理和動力學得到描述這些過程的解析公式。 但探測范圍很小，測定幾層原子沉積過程的變化相當費時。 三種生長模式下 AES峰強度隨沉積量 (以單原子層 ML為單位 )的變化曲線， S代表襯底元素的 AES峰強度， D代表沉積元素的 AES峰強度。 為生長良好光電性質(zhì)、無位錯的量子點材料，需精心設計外延層與襯底的失配度大小，并控制外延層的沉積量不能超過臨界值 Hc2. 層狀生長模式 能夠提供平坦的異質(zhì)界面、生長表面，對很多光電器件的設計和制作很有利，但受晶格失配度大小的限制， 外延材料的選擇范圍 有限。 隨 H繼續(xù)增大，島尺寸 趨無窮大，密度趨 0。 但單層二維生長后， A原子層橫向鍵長受到 B襯底約束，被拉長或壓縮，繼續(xù)二維生長時應變能顯著增大，不得不轉(zhuǎn)為三維生長。 二維生長，簡單立方晶體， 正方核厚度為晶格常數(shù) a， 二維核臨界尺寸： Lc(h=a)=auAA/(Δμ+uABuAA)。 A B α αˊ α θ 襯底上的球冠狀晶核 薄膜生長的三種模式 球冠的表面張力和界面張力平衡時有： αcosθ+α ? =αˊ , αˊ≧ α+α?時 θ=0， 球冠核的高度為原子面的厚度，即球冠核轉(zhuǎn)化為單原子層核。 薄膜生長的三種模式 如 A原子大于 B原子，外延的 A原子層中出現(xiàn)壓應力，反之則外延的 A原子層中出現(xiàn)張應力。 N 8 18 32 50 72 98 一層密排 8uAB 10uAA 18uAB 27uAA 32uAB 52uAA 50uAB 85uAA 72uAB 127uAA 98uAB 176uAA 雙層密排 4uAB 12uAA 9uAB 33uAA 16uAB 64uAA 25uAB 105uAA 36uAB 156uAA 49uAB 217uAA 異質(zhì)外延一層和雙層密排的能量降低值 （ N：沉積原子數(shù)， u：鍵能） N增大，雙層密排（島狀）有利的條件會進一步降低。 同質(zhì)外延并且溫度高時，薄膜最穩(wěn)定的組態(tài)： 單層排列，二維生長模式。 如有 4個沉積因子： 排成一排 ，形成 7個 AA原子鍵， 能量降低 7uAA 排成正方形 ，形成 8個 AA原子鍵， 能量降低 8uAA 薄膜生長的三種模式 如 :8個沉積原子，密排成雙層正方形， 能量降低 16uAA 密排成一層，能量降低 18uAA 說明 單層密排比雙層密排更穩(wěn)定 。{[1sin(θ +φ )]/2 cos2(θ +φ )cosθ /4sinφ } =(16π /3)Ω 2α 3/Δμ 2f(θ ,φ ) 形狀因子 f(θ ,φ )： θ同， φ減少，三叉晶界凹陷得越深，成核功不斷下降。 增原子有更大概率停留在 臺階和扭折 處，其他增原子擴散到這些增原子近旁就開始成核。 成核的原子模型 不少晶核形成的原子理論提出，如： Walton理論、 Zinsmiester理論、 Logan理論、 Lewis理論以及廣義的成核 生長 聚集理論 等。 令 Δα=α+ααˊ dφ= (L2h/Ω )Δμ +L2(α +α αˊ )+4Lhα 如果 A晶核的外形是橫向尺寸為 L、高度為 h的四方柱體 ，晶核的形核功為： A B α αˊ α θ 襯底上的球冠狀晶核 Lc=4Ωα/Δμ hc=2ΩΔα/Δμ dφc=16Ω2α2Δα/Δμ2 當 Δα2α時， hcLc, 臨界核變得十分扁平，成核功比均勻成核時立方核的成核功小得多。 體相中均勻成核 ● 體相中均勻成核 ● 襯底上的非均勻成核 ● 成核的原子模型 ● 襯底缺陷上成核 ● 薄膜生長的三種模式 ● 薄膜生長模式的俄歇電子 能譜 (AES)分析 薄膜的成核長大熱力學 襯底上成核屬于非均勻成核 ( heterogeneous nucleation)： 球冠核形核功： 臨界半徑： A B α αˊ α θ 襯底上的球冠狀晶核 襯底上的非均勻成核 dφ=[(πr3/3Ω)Δμ+πr2α](23cosθ+cos3θ) rc= 2Ωα/Δμ 最大形核功 dφ c=(16πΩ 2α 3/Δμ 2)[(1cosθ )2(2+cosθ )/4] =(16πΩ 2α 3/3Δμ 2)f(θ ) A B α αˊ α θ 襯底上的球冠狀晶核 球冠核的臨界半徑，和均勻成核時球核的相同 : 因為球面上各點都應處處和