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低温等离子体辅助薄膜生长是改善薄膜质量的重要手段,已经广泛应用于各种薄膜材料的制备之中。从原子尺度上研究薄膜生长过程和微观机制,对于揭示薄膜生长的物理本质、控制生长条件、提高薄膜制备的质量以及发展新型薄膜材料都具有重要意义。从原子水平上看,薄膜生长是一个非平衡表面动力学过程,其中包括原子的沉积、扩散、成核、表面岛的生长、相互竞争、合并等一系列表面原子过程,深入研究这些表面原子过程对于揭示薄膜生长的微观物理机制具有重要意义。本文重点关注了薄膜生长过程中的载能粒子沉积、表面扩散、成核以及外延岛的生长演化这几方面问题,采用分子动力学方法分别研究了低能原子沉积过程、表面原子扩散以及异质外延生长中表面岛的生长演化行为,探讨了这些表面过程对薄膜生长行为和微观机制的影响规律。 在低能原子沉积对薄膜生长影响的研究方面,我们系统研究了低能Pt原子与Pt(111)表面的相互作用所导致的表面吸附原子、溅射原子、表面空位的产生及分布规律,给出了Pt(111)表面的溅射能量阈值大约在30~40eV之间,并指出适当地提高沉积原子的能量,能够增加表面吸附原子的产额并扩大其分布区域,从而提高形核密度,降低晶核尺寸,增加表面平整度。表面替位杂质的存在,改变了基体表面稳定性,不仅影响着入射能量较低时的表面吸附原子的产额与空间分布,而且对入射能量较高时的低能表面溅射过程和基体表面空位的形成产生重要影响。在研究Pt(111)表面低能溅射时,我们发现了轻原子入射所产生的溅射产额要大于重原子入射的溅射产额这一与基于二体碰撞近似的线性级联溅射理论相反的现象,并由此提出了入射原子反冲的低能溅射机制。 在研究表面原子扩散过程时,从Cu吸附原子导致的基体晶格畸变的角度,探讨了吸附原子与基体表面晶格之间、以及吸附原子之间的相互作用及其对原子表面扩散行为的影响。研究发现:表面吸附原子导致的Cu基体晶格畸变的范围可多达10个原子层,同时引起了基体表面应变状态与局域应力的非均匀分布。在表面原子扩散的过程中,由吸附原子与基体原子间相互作用引起的基体晶格畸变对表面原子的扩散运动将产生重要影响。表面吸附原子将通过原子之间的直接相互作用和其所产生的基体晶格畸变应力场之间的间接相互作用,对一定距离之内的另一个吸附原子扩散行为产生影响。 在异质外延生长研究方面,针对传统的晶格失配理论不能完全解释现有实验结果的这一问题,我们认为,决定异质外延行为的根本因素是原子间的成键属性,键属性包括了键长、键角、键能这三个基本要素。传统的晶格失配理论是描述了外延层原子与基体原子间的晶格常数差异的影响因素,从本质上讲,应归属于键长对异质外延生长行为影响的范畴,而并没有考虑键角与键能差异的影响。在此分析基础上,我们分别讨论了成