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Si基纳米薄膜材料具有特殊的物理和化学性质,在光学、微电子和光电技术等许多领域具有重要的应用和应用前景,一直都是实验和理论研究的热点。由于基底表面上形成的二维岛的构形和分布情况在多层膜生长机制中起着决定薄膜整体质量的作用,因此有必要对薄膜生长初期二维岛的生长进行研究。本论文利用动力学蒙特卡罗(Kinetic Monte Carlo)方法对Si(100)面上同质外延生长薄膜的初始阶段进行了模拟研究。主要开展了以下工作:
首先建立了理想Si(100)面上薄膜生长的Kinetic Monte Carlo模型,对理想基底上薄膜的初期生长过程进行计算,研究了基底温度和入射率对薄膜生长的影响。结果表明:在一定的表面覆盖度和入射率下,薄膜生长中存在一个最佳成岛温度,该温度随入射率的增大而升高。在不同的温度和入射率下,岛密度随覆盖度的变化呈现出不同的规律,薄膜的生长模式也不同。在低温和高入射率下薄膜趋于离散型生长,反之则趋于紧致型生长,并且会频繁发生岛的扩散和表面粗化过程。
其次在理想Si(100)面上生长Si薄膜的Kinetic Monte Carlo模型基础上,考虑表面扩散的各向异性、原子入射能量、二聚体和二聚体列的影响,建立了Si(100)-(2×1)重构表面上Si薄膜生长的KMC模型,对不同入射能量、入射率和基底温度等条件下薄膜生长的初期过程进行了计算,对计算结果进行了统计分析。吸附原子的扩散路程随温度的升高、入射率的降低而增加,沉积原子具有入射能量时的扩散路程明显比无能量时大。在温度低于和入射率高于一定的值时,扩散路程随入射能量的升高而增加;温度越高,入射率越低时的扩散路程却逐渐不受入射能量高低的影响。在沉积原子有、无入射能量及入射率不同的情况下,吸附原子的扩散路程L随温度T的变化均符合指数函数关系L=L<,n>+Ae。在一定的入射能量和入射率下存在一最佳成岛温度,沉积原子具有入射能量时将使最佳成岛温度降低。最佳成岛温度T<,opt>随入射能量的增大和入射率的降低而减小,并且随入射率F的变化满足对数函数关系T<,opt>=T<,0>+bln(F+c)。温度越高、入射率越低时不同入射能量对薄膜生长影响的区别逐渐减小。随着入射能量和温度的升高,以及入射率的降低,薄膜逐渐从离散型生长向紧致型生长转变,原子表面扩散的各向异性越明显。