薄膜生长过程1

1、薄膜生长过程张辉1，真空度对薄膜生长的影响：，真空度对薄膜生长的影响：TkmPJBimX2（JX为沿X方向的入射粒子流通量。）J=nv2，表面能（表面张力，表面能（表面张力与表面能与表面能的关系）：的关系）：产生新的表面，需要破坏一定数量的化学键。因此是吸热过程，体系能量上升。所以表面能符号应为“+”！dTdT（d /dT90时，为岛状生长；为薄膜的两种基本生长模式。AB3，薄膜中的晶体缺陷：，薄膜中的晶体缺陷：其中（c）服从所谓的Vegards law：BABAxxaaxa)1 ()(b)称为肖特基缺陷；(a)称为弗兰克尔缺陷。3，薄膜中的晶体缺陷：，薄膜中的晶体缺陷：刃位错螺位错层错与分位

2、错有关，小角（大角）晶界与刃位错有关。4，位错（应力）与其生长机制间的关系：，位错（应力）与其生长机制间的关系：位错的来源：1，从衬底复制来；2，薄膜中应力弛豫的结果。（应力的来源：1，衬底与薄膜之间的晶格失配；2，热应力。）如果是后者，那么其将对薄膜生长模式有影响。(a)张应力(a)压应力A，小应力下的薄膜层状生长模式，应力弛豫将产生位错（刃位错）。*实际上，衬底在靠近薄膜的区域也必然会发生畸变。4，位错与其生长机制间的关系：，位错与其生长机制间的关系：dead layerB，大应力下的薄膜层状生长模式，应力弛豫将产生层+岛状生长*位错产生的判据：晶格失配应变能刃位错位错能dEE SbdbG

3、GGGfdGcsfsfcf/ 1)/)ln(1 (/)/()1/()1(222产生位错的临界厚度dc即由上式确定。上图为Si中的一个FrankRead位错（U型扫移位错）。当扫移位错运动360度时，便向外发射出一个闭合的位错环；同时，已经发射出的位错环不断扩张长大。相邻两个位错环间在垂直方向始终相差一个伯格斯矢量（即一个原子的距离）而无法被同样大小的原子所填平。这是薄膜（或晶体）生长的重要驱动力之一。（固体物理导论Kittel, p412.）4，位错与薄膜生长间的关系：，位错与薄膜生长间的关系：a，Frank-Read位错与薄膜生长间的关系低饱和蒸气压下薄膜生长低饱和蒸气压下薄膜生长4，位错与

4、薄膜生长间的关系：，位错与薄膜生长间的关系：b，螺位错与薄膜生长间的关系低饱和蒸气压下薄膜生长低饱和蒸气压下薄膜生长（在表面露头的单个螺位错的发展。固体物理导论Kittel, p415.）5，位错与薄膜生长间的关系：，位错与薄膜生长间的关系：(a)由于台阶边缘形成边缘势垒(即，Schwoebel势垒)，薄膜形成“梯田状”生长(b)使用表面剂后薄膜呈现“岛状”生长（因为表面扩散势垒增加）引自薄膜生长（吴自勤、王兵 著），p229.5，位错与薄膜生长间的关系：，位错与薄膜生长间的关系：异质外延时的小角晶界织构引自材料科学基础（潘金生、仝健民、田民波 著），p301、p303、p3046，入射粒子颗

5、粒尺寸对薄膜生长模式的影响，入射粒子颗粒尺寸对薄膜生长模式的影响：衬底膜(a)入射粒子尺寸很大(b)入射粒子尺寸很小岛状生长模式层状生长模式6，入射粒子，入射粒子通量通量对薄膜生长模式的影响对薄膜生长模式的影响：膜衬底(a)入射粒子通量很大(b)入射粒子通量很小岛状生长模式层状生长模式7，薄膜中的扩散：，薄膜中的扩散：菲克定律 nDJJdtdn02nDdtdn)4/exp()(1),(22/1DtrDttrn)/exp(0TkEDDBg7，薄膜中的扩散：扩散机制，薄膜中的扩散：扩散机制A，体扩散（自扩散）：原子与空穴交换间隙原子的扩散B，晶界扩散（短路扩散）：晶界扩散沿位错芯的扩散C，反应扩散

6、D，表面扩散（依赖于扩散方向）慢过程快过程快过程快过程8，薄膜生长动力学，薄膜生长动力学：jaUUnRdtdn1112/jjjUUdtdn1/(J=2, 3, 4, )n1: 含一个原子的晶核密度；R：沉积速率；a：沉积原子寿命；U1：含1个原子的晶核俘获一个原子的概率；Uj：含j个原子的晶核俘获一个原子成为j+1原子晶核使n1减少的概率。衬底蒸发迁移稳定成核9，薄膜生长热力学：，薄膜生长热力学：曲率与压强差曲率与压强差(P，T)r(P，T)rpp29，薄膜生长热力学：，薄膜生长热力学：过饱和蒸气压过饱和蒸气压演化02/exp()cVPPr RT晶核(a) 饱和蒸气压(b) 过饱和蒸气压 P

7、P0P0P9，薄膜生长热力学：晶核的分类，薄膜生长热力学：晶核的分类（a）亚稳态rrc演化9，薄膜生长热力学：大鱼吃小鱼，薄膜生长热力学：大鱼吃小鱼(岛的合并岛的合并)大“鱼”(岛)吃小“鱼”(岛)的原因是：小岛具有更大的内压强。即小岛的化学势高于大岛的。是小鱼自己往大鱼嘴里钻。10，薄膜生长：，薄膜生长：衬底温度与薄膜生长模式衬底温度与薄膜生长模式衬底温度衬底温度 物理堆积（高度无序）非晶态多晶态择优取向织构生长层状生长或台阶流动生长生长模式生长模式*前提：1，薄膜能浸润衬底；2，入射粒子尺寸要足够小。(准外延)11，薄膜生长：，薄膜生长：step-flow生长模式生长模式(a) 真实表面(

8、b) 台阶的成因只存在于数学上的(110)面由物理实在构成的(110)面简单立方的(110)面衬底薄膜薄膜生长方向11，薄膜生长：，薄膜生长：step-flow生长模式生长模式*前提是： 1，薄膜能浸润衬底；2，入射粒子尺寸要足够小；3，入射粒子流通量足够小；4，衬底温度足够高。11，薄膜生长：，薄膜生长：step-flow生长模式生长模式(实例.原子力显微照片)5nm La0.9Sr0.1MnO3/SrTiO3 (100) by PLD technique.11，薄膜生长：，薄膜生长：step-flow生长模式生长模式(实例.原子力显微照片)3.5nm La0.9Sr0.1MnO3/SrTiO3