薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程和薄膜結(jié)構(gòu)-閱讀頁(yè)
2025-05-17 13:42本頁(yè)面
【正文】 ，沉積的薄膜首先形成粗大的島狀組織； T降低， ΔG*下降，形成的核心數(shù)目增加，形成晶粒細(xì)小而連續(xù)的薄膜組織。 因此， 提高沉積的溫度并降低沉積的速率 可以得到 粗大甚至是單晶結(jié)構(gòu) 的薄膜； 低溫、高速的沉積往往導(dǎo)致 多晶態(tài)甚至是非晶態(tài) 的薄膜組織。 核心相互吞并的機(jī)制： ? 奧斯瓦爾多 (Ostwsld)吞并過(guò)程 ? 熔結(jié)過(guò)程 ? 原子團(tuán)的遷移 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 39 奧斯瓦爾多 (Ostwsld)吞并過(guò)程 設(shè)想在形核過(guò)程中已經(jīng)形成了各種不同大小的許多核心。這一過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于島狀結(jié)構(gòu)的薄膜力圖 降低自身表面自由能的趨勢(shì) 。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 42 公式表明，較小的核心中的原子將具有較高的活度，其平衡蒸氣壓也將較高。結(jié)果是較大的核心吸收原子而長(zhǎng)大，而較小的核心則失去原子而消失。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 43 熔結(jié)過(guò)程 熔結(jié)是 兩個(gè)相互接觸的核心 相互吞并的過(guò)程。 在此過(guò)程中，原子的擴(kuò)散可能有兩種機(jī)制，即體擴(kuò)散機(jī)制和表面擴(kuò)散機(jī)制。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 44 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 45 原子團(tuán)的遷移 在薄膜生長(zhǎng)初期，島的相互合并還涉及島的遷移過(guò)程。場(chǎng)離子顯微鏡已經(jīng)觀察到了含有兩三個(gè)原子的原子團(tuán)的遷移現(xiàn)象。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 46 原子團(tuán)的遷移是由 熱激活過(guò)程 所驅(qū)使的，其激活能 Ec應(yīng)與原子團(tuán)的半徑 r有關(guān)。原子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致原子團(tuán)間相互發(fā)生碰撞和合并。 Ts — 襯底的溫度， Tm — 沉積物質(zhì)的熔點(diǎn) 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 48 沉積條件對(duì)于薄膜微觀組織的影響： （以濺射法為例） ★ 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 49 形態(tài) 1型的薄膜組織： 在 溫度很低、氣體壓力較高 的情況下所形成的具有薄膜微觀組織。 隨薄膜厚度的增加，細(xì)纖維狀組織發(fā)展為錐狀形態(tài)，其間夾雜尺寸更大的孔洞，而薄膜表面則呈現(xiàn)出與之相應(yīng)的拱形形貌。 濺射氣壓降低，入射粒子的能量提高，薄膜表面原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，雖然薄膜組織仍然保持了細(xì)纖維狀的特征，纖維內(nèi)部缺陷密度較高，但纖維邊界處的組織出現(xiàn)了明顯的 致密化 傾向，纖維間的孔洞以及拱形的表面形貌特征消失。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 51 形態(tài) 2型的薄膜組織： Ts/Tm=～ 、原子 表面擴(kuò)散 進(jìn)行得較為充分時(shí)形成的薄膜組織。 晶粒內(nèi)部缺陷密度較低，晶粒邊界的致密性較好，薄膜具有較高的強(qiáng)度。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 52 形態(tài) 3型的薄膜組織： 襯底溫度的繼續(xù)升高（ Ts/Tm ）使得原子的 體擴(kuò)散 開始發(fā)揮重要作用。薄膜的組織變?yōu)榻?jīng)過(guò)充分再結(jié)晶的粗大的 等軸晶 組織，晶粒內(nèi)部缺陷密度很低。 高溫?zé)峒せ钚蜕L(zhǎng) ：沉積溫度較高，原子的擴(kuò)散比較充分，擴(kuò)散將消除孔洞的存在，使薄膜組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹螒B(tài)。但由于在蒸發(fā)法時(shí)，入射粒子的能量很低，一般認(rèn)為其 不易形成形態(tài)T型的薄膜組織 。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 55 薄膜的組織結(jié)構(gòu)（結(jié)晶狀態(tài)）： ?無(wú)定形結(jié)構(gòu)（非晶態(tài)結(jié)構(gòu)） （較高的沉積速率和較低的襯底溫度，薄膜的化學(xué)成分） ?多晶結(jié)構(gòu) （島狀生長(zhǎng)，可能存在介穩(wěn)結(jié)構(gòu)） ?纖維結(jié)構(gòu) （晶粒具有擇優(yōu)取向的薄膜，非晶態(tài)襯底上） ?單晶結(jié)構(gòu) （外延生長(zhǎng)：在完整的單晶襯底上延續(xù)生長(zhǎng)單晶薄膜。） 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 56 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 57 (a) TEM、 (b) ED and (c) HRTEM images taken from a CuS crystal. 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 58 本章小結(jié) 1. 概念：形核率 2. 薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程及三種生長(zhǎng)模式 3. 薄膜的自發(fā)形核和非自發(fā)形核理論 （熱力學(xué)分析） 4. 核心的三種吞并機(jī)制 5. 薄膜的四種典型組織形態(tài)（特征、形成條件）
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