液相基底表面納米尺度金屬原子島的結(jié)構(gòu)及生長機(jī)理研究.pdf

1、本論文采用真空熱蒸發(fā)方法，在室溫條件下，利用液相材料(硅油)作為基底，成功制備了納米尺寸金屬(銀、銅)原子島；基于光學(xué)顯微鏡測量等方法，對其表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)、物質(zhì)密度及凝聚機(jī)理等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　 實(shí)驗(yàn)顯示：銀以及銅原子島(緊致形島和分枝狀島)的生長機(jī)理與沉積在硅油基底表面其他金屬(金、鋁、鐵和鎳等)原子島的情況類似，即服從二階段生長模型。分析表明：當(dāng)薄膜名義厚度h小于臨界厚度hc時，即h

2、片中原子島在二維表面上的投影面積與圖片面積之比)ρ與h呈線性增長關(guān)系，即滿足關(guān)系式ρ=kh；當(dāng)h>hc時，表面覆蓋率隨名義厚度的增加首先下降然后出現(xiàn)波動行為。上述現(xiàn)象表明，銀原子島的凝聚機(jī)理隨薄膜名義厚度的上升發(fā)生顯著改變。此外，透射電子顯微鏡(TEM)測量表明，當(dāng)薄膜名義厚度h由0.2nm增加到2.0nm時，原子島出現(xiàn)由非晶向多晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的情形。同時研究發(fā)現(xiàn)在上述過程中，與銀塊體材料相比，銀原子島的物質(zhì)密度δ由45％增大到70％。以上

3、現(xiàn)象充分說明，采用簡單而有效的測量方法，即通過計(jì)算銀原子島的表面覆蓋率變化，可成功反映其物質(zhì)密度等微觀結(jié)構(gòu)的改變。
　　 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選取某一固定薄膜名義厚度(h

4、，原子力顯微鏡(AFM)測量顯示：原子島的平均高度HAFM隨沉積速率f逐漸升高，并且，最大平均高度(HAFM)max(對應(yīng)于最大f)與最小平均高度(HAFM)min(對應(yīng)于最小f)滿足(HAFM)max/(HAFM)min≈2。上述現(xiàn)象表明，銀原子島的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)及凝聚機(jī)理與沉積速率存在重要依賴關(guān)系，隨后的理論分析也證實(shí)了此類結(jié)論。
　　 由二階段生長模型可知，分枝狀島由一顆顆緊致形島相互碰撞、粘結(jié)而成。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩個鄰近

5、緊致形島在相向運(yùn)動的過程中，當(dāng)島的間距w小于臨界距離wc時，即w　　 沉積在硅油基底表面的銅原子島(h=0.4nm)在真空腔里放置13分鐘后立

6、即取出并拿到光學(xué)顯微鏡下在室溫及大氣范圍中觀察其形貌演化。在觀察時間t=0-120分鐘內(nèi)，銅原子島的形貌由模糊不清到逐漸清晰可辨，其尺寸不斷增加。在t>120分鐘范圍內(nèi)，原子島形貌幾乎沒有發(fā)生明顯變化。上述現(xiàn)象表明，銅原子島在硅油基底表面演化過程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)必定發(fā)生變化。AFM測量顯示：原子島由一顆顆原子顆粒組成，其平均直徑幾乎不隨t發(fā)生改變(大約為33nm)；在整個演化過程中，銅原子島的平均高度由7±1nm增加到13±1nm。TEM

7、測量顯示：在t=0和120分鐘時，銅原子島均為多晶結(jié)構(gòu)，并且由尺寸更小的銅原子晶粒組成，其晶粒直徑幾乎沒有變化(約為4nm)。上述現(xiàn)象表明，銅原子島在演化過程中，通過相互碰撞擠壓使一部分原子顆粒的位置提升，導(dǎo)致原子島的平均高度上升，因此，原子島的光學(xué)形貌隨之逐漸清晰。此外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，銅原子島的表面形貌及微觀結(jié)構(gòu)與其他實(shí)驗(yàn)條件(如薄膜名義厚度及沉積速率等)也存在重要依賴關(guān)系。
　　 本文各章節(jié)安排內(nèi)容如下：
　　 第一章

8、：綜述固體基底表面薄膜生長的表面動力學(xué)；介紹水面、咖啡滴以及離子液體中顆粒的凝聚行為；最后詳細(xì)講述硅油基底表面各種金屬原子島的表面形貌、成功機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)及物理特性等。
　　 第二章：系統(tǒng)介紹硅油基底表面銀原子島的表面形貌、物質(zhì)密度、島間長程作用力及凝聚機(jī)理等。銀原子的凝聚行為與實(shí)驗(yàn)條件(如薄膜名義厚度、沉積速率及基底特性等)存在重要依賴關(guān)系。
　　 第三章：詳細(xì)研究了室溫及大氣氛圍中銅原子島形貌及微觀結(jié)構(gòu)的演化過程及其