【摘要】：薄膜外延是多種原子運(yùn)動(dòng)機(jī)制耦合作用下的復(fù)雜非平衡生長(zhǎng)過(guò)程,它涉及到形核、原子表面擴(kuò)散、臺(tái)階流動(dòng)、Ehrlich-Schwoebel勢(shì)壘、臺(tái)階邊緣擴(kuò)散、吸附原子相互作用等諸多平衡與非平衡熱力學(xué)與生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。薄膜外延生長(zhǎng)過(guò)程的研究和生長(zhǎng)機(jī)制的探索,不僅能夠促進(jìn)固體物理和統(tǒng)計(jì)物理等傳統(tǒng)學(xué)科及其交叉領(lǐng)域的研究進(jìn)展,同時(shí)也可以推動(dòng)低維材料物理、自旋電子學(xué)等前沿學(xué)科領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和突破。然而,描述薄膜生長(zhǎng)的控制方程涉及到多尺度、多物理場(chǎng)耦合的非線性問(wèn)題的處理,只有在極少數(shù)簡(jiǎn)單條件下或是各種人為簡(jiǎn)化條件下才能找到解析解,這極大限制了理論應(yīng)用的廣度和深度。相場(chǎng)法作為一種近幾年發(fā)展起來(lái)的多尺度模擬技術(shù),由于能夠直觀地再現(xiàn)復(fù)雜界面處微觀原子形核與沉積過(guò)程,為探索薄膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制與薄膜制備工藝的發(fā)展提供了技術(shù)支持與理論解釋,因此成為研究薄膜初期生長(zhǎng)機(jī)制,準(zhǔn)平衡與非平衡動(dòng)力學(xué)作用下外延生長(zhǎng)過(guò)程、表面形貌及控制的重要手段。本論文采用定量相場(chǎng)模型對(duì)形核動(dòng)力學(xué)、Ehrlich-Schwoebel勢(shì)壘作用、原子附著運(yùn)動(dòng)等非平衡動(dòng)力學(xué)作用下的外延生長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)研究相場(chǎng)參量與薄膜生長(zhǎng)機(jī)制、微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程的定量聯(lián)系,旨在建立一種能夠在微觀上精確對(duì)照尖銳界面,宏觀上準(zhǔn)確預(yù)測(cè)外延表面生長(zhǎng)形貌特征的多尺度模擬方法,為動(dòng)力學(xué)作用參數(shù)定量調(diào)控外延生長(zhǎng)過(guò)程及微觀原子運(yùn)動(dòng)機(jī)理提供新的思路。主要內(nèi)容包括:1.將形核和Ehrlich-Schwoebel勢(shì)壘動(dòng)力學(xué)作用引入定量相場(chǎng)模型,通過(guò)漸進(jìn)性分析的方法研究了相場(chǎng)模型在薄界面近似下的穩(wěn)態(tài)解。結(jié)果表明,形核項(xiàng)將會(huì)改變界面原子平衡密度,附加非本征的原子密度流,非對(duì)稱的遷移率函數(shù)誘導(dǎo)臺(tái)階上下兩側(cè)產(chǎn)生不合理的直接交換運(yùn)動(dòng),使得相場(chǎng)模型難以對(duì)動(dòng)力學(xué)作用下的界面原子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量描述。通過(guò)漸進(jìn)性分析發(fā)現(xiàn),通過(guò)對(duì)相場(chǎng)方程中的特征空間與時(shí)間參量進(jìn)行定量地修正,可以有效地補(bǔ)償非本征的界面效應(yīng),從而使相場(chǎng)模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)形核與Ehrlich-Schwoebel勢(shì)壘作用的定量描述,進(jìn)而建立非平衡外延生長(zhǎng)中臺(tái)階界面的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)特征與模擬微觀參量的定量聯(lián)系。2.將遷移率函數(shù)引入定量相場(chǎng)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同程度Ehrlich-Schwoebel勢(shì)壘作用的定量研究。收斂性分析一維單側(cè)臺(tái)階流動(dòng)模型,發(fā)現(xiàn)初始的遷移率函數(shù)導(dǎo)致界面原子密度在較大的臺(tái)階寬度下產(chǎn)生明顯的數(shù)值非穩(wěn)。通過(guò)引入修正的遷移率函數(shù)可以成功地彌補(bǔ)界面上的密度偏差,從而使相場(chǎng)模型能夠在較大的空間與時(shí)間尺度上精確地反映Ehrlich-Schwoebel勢(shì)壘作用下的臺(tái)階流動(dòng)過(guò)程。通過(guò)修正模型研究了Ehrlich-Schwoebel勢(shì)壘對(duì)多層wedding-cake生長(zhǎng),單層島的生長(zhǎng)與融并過(guò)程,以及螺旋生長(zhǎng)的作用機(jī)制和影響趨勢(shì)。結(jié)果表明,Ehrlich-Schwoebel勢(shì)壘通過(guò)抑制上臺(tái)階邊緣原子的擴(kuò)散提高上層原子的聚集,使外延表面粗糙度增加,并且推動(dòng)外延生長(zhǎng)模式由層狀向著島狀轉(zhuǎn)變。在表面吸附較大時(shí)Ehrlich-Schwoebel勢(shì)壘表現(xiàn)出更加明顯的動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)特征。3.定量相場(chǎng)模擬研究了立方鈣鈦礦薄膜亞單層島的生長(zhǎng)過(guò)程與形核機(jī)制。將形核動(dòng)力學(xué)項(xiàng)引入定量相場(chǎng)方程,通過(guò)尋求相場(chǎng)模擬形核過(guò)程與經(jīng)典薄膜形核理論的一致性關(guān)系,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)作用對(duì)亞單層生長(zhǎng)模式中形核機(jī)制的定量調(diào)控。結(jié)果表明,亞單層形核機(jī)制由初始臨界尺寸與形核動(dòng)力學(xué)系數(shù)共同決定,亞單層島密度和標(biāo)度指數(shù)隨臨界尺寸、形核動(dòng)力學(xué)系數(shù)的改變而產(chǎn)生明顯的非線性變化趨勢(shì)。此外,界面附著原子運(yùn)動(dòng)能夠有效地調(diào)控界面局域平衡態(tài),改變亞單層島密度、臨界尺寸及其標(biāo)度指數(shù)。通過(guò)對(duì)附著動(dòng)力學(xué)作用的研究發(fā)現(xiàn),定量的動(dòng)力學(xué)系數(shù)有望于削弱形核項(xiàng)產(chǎn)生的非本征密度流,從而最終得到與經(jīng)典理論描述一致的形核過(guò)程。4.將六方小面相各向異性引入相場(chǎng)方程,研究了各向異性強(qiáng)度對(duì)螺旋生長(zhǎng)形貌以及臺(tái)階生長(zhǎng)速率的影響作用,發(fā)現(xiàn)各向異性通過(guò)改變界面生長(zhǎng)尖端的曲率半徑,調(diào)制局域平衡態(tài)影響螺旋間距。研究了表面吸附率對(duì)小面相螺旋生長(zhǎng)的作用機(jī)制,發(fā)現(xiàn)吸附率的增加有利于螺旋臺(tái)階界面的推進(jìn),導(dǎo)致了穩(wěn)態(tài)螺旋間距的降低;通過(guò)分析螺旋間距隨臺(tái)階寬度的變化趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)的表面吸附和各向異性強(qiáng)度降低了螺旋間距的收斂性;通過(guò)探討界面附著動(dòng)力學(xué)作用,發(fā)現(xiàn)界面動(dòng)力學(xué)系數(shù)通過(guò)改變穩(wěn)態(tài)螺旋間距與特征指數(shù)因子調(diào)控螺旋生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制,小面相螺旋生長(zhǎng)與各向同性相比表現(xiàn)出較低的附著動(dòng)力學(xué)系數(shù)依賴性.
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB383.2

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本文編號(hào)：2440417