薄膜生长模式

✍ dations ◷ 2025-07-01 08:14:49 #薄膜,表面化学

薄膜生长模式(Modes of thin-film growth)指的是薄膜在材料表面的外延成长中不同的生长机制,由恩斯特·鲍尔(英语:Ernst G. Bauer)于1958年系统化地归纳为三大类型:岛状生长模式(即Volmer-Weber模式)、层状生长模式(即Frank–van der Merwe模式)和岛状/层状生长模式(即斯特兰斯基-克拉斯坦诺夫模式)。

岛状生长模式又称Volmer-Weber模式、VM模式,得名于马克斯·福尔默(英语:Max Volmer)和A. 韦伯。在岛状生长中,薄膜原子相互之间的束缚力强于衬底对薄膜原子的束缚力,导致薄膜原子在衬底表面直接成核生长出三维的原子岛。大部分薄膜都是呈岛状生长的。

层状生长模式又称Frank–van der Merwe模式、FM模式,得名于弗雷德里克·查尔斯·弗兰克(英语:Frederick Charles Frank)和Jan H van der Merwe(英语:Jan H van der Merwe)。在层状生长中,衬底对薄膜原子的束缚力强于薄膜原子之间的作用力,导致薄膜遵循严格的二维生长——即直到完全生长完一层,下一层才开始生长。层状生长模式在PbSe/PbS、Au/Pd、Fe/Cu等系统中有出现。

岛状/层状生长模式又称斯特兰斯基-克拉斯坦诺夫模式、SK模式,得名于伊万·斯特兰斯基和 Lyubomir Krastanov。岛状/层状生长模式介于岛状生长模式与层状生长模式之间:在衬底上以二维方式生长一定厚度的薄膜之后,会开始以三维形式生长原子岛。岛状/层状生长模式在Cd/W、Cd/Ge等系统中出现。

不同的薄膜生长模式取决于薄膜和衬底材料表面的化学与物理性质,例如表面张力和晶格系数,可通过考虑距离表面最近的几层原子的化学势来确定生长机制。1995年,伊万·马尔可夫提出原子层内单原子的化学势模型:

其中 μ {\displaystyle \mu _{\infty }} 表示吸附材料的体化学势(bulk chemical potential), φ a {\displaystyle \varphi _{a}} 表示浸润层吸附原子的脱附能(desorption energy), φ a ( n ) {\displaystyle \varphi _{a}'(n)} 表示衬底吸附原子的脱附能, ε d ( n ) {\displaystyle \varepsilon _{d}(n)} 表示每个原子的位错错配能(misfit dislocation energy), ε e ( n ) {\displaystyle \varepsilon _{e}(n)} 表示每个原子的同质应变能(homogeneous strain energy)。在一般情况下, φ a {\displaystyle \varphi _{a}} φ a ( n ) {\displaystyle \varphi _{a}'(n)} ε d ( n ) {\displaystyle \varepsilon _{d}(n)} ε e ( n ) {\displaystyle \varepsilon _{e}(n)} 的值与薄膜的厚度,以及衬底和薄膜之间的位错有着极为复杂的关系。在应变很小的情况下(即 ε d , e ( n ) μ {\displaystyle \varepsilon _{d,e}(n)\ll \mu _{\infty }} ),薄膜的生长模式取决于 d μ d n {\displaystyle {\frac {d\mu }{dn}}} 的值:

在实际的科学实验中,可以运用多种手段判断薄膜生长的模式,包括透射电子显微镜或扫描隧道显微镜(直接测量表面形貌),低能电子衍射或反射式高能电子衍射(英语:Reflection high-energy electron diffraction)(通过测量衍射强度的振荡),以及俄歇电子能谱。

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