力和擴散機制下外延形貌的演化分析.pdf

1、納米材料的宏觀性能取決于其微觀結構，而外延薄膜材料的制備總的來說是一個表面動力學過程。因此，對表面上原子的擴散、成核和生長，原子島間的兼并、失穩(wěn)、粗化，臺階流動及失穩(wěn)等一系列過程的研究具有非常重要的意義。
　　本文提出一個新的基于擴散界面的相場模型用以描述外延生長過程中島的形核、生長及熟化過程。該模型同時考慮了生長過程中彈性場、表面能、質量沉積、擴散、解吸和能量勢壘等熱力學及動力學過程對表面納米形貌的影響。采用經典的BCF模型來描

2、述生長過程中的擴散形核過程，而采用一個新的包含彈性應變能的自由能函數(shù)，通過變分得到一個可以描述多層島生長動態(tài)邊界的相場方程。采用有限差分格式對非線性耦合方程組進行求解，并編制相應的計算程序，通過可視化處理再現(xiàn)了外延生長的真實形貌。
　　通過系統(tǒng)的數(shù)值預測真實再現(xiàn)了原子島的形貌，并定量地對表面粗糙度的演化做了詳細的刻畫。通過修正島邊界PFTZ的活原子擴散系數(shù)D實現(xiàn)島邊界上下臺階運動的不對稱性，來模擬ES勢壘阻礙活原子的下臺階運動，獲

3、得了多層區(qū)島的形貌演化，再現(xiàn)了與實驗圖片一致的外延形貌。通過高度-高度相關函數(shù)的引入，計算了結構表面的局部粗糙度指數(shù)和粗糙度隨覆蓋率的變化，與已經獲得的實驗和理論分析結果一致。采用彈性本構關系進行了應力分析，結果表明，在形貌演化中，伴隨著產生復雜的應力場，在島邊界處存在著高應力區(qū)。外延生長中的應力演化明顯的影響原子的擴散過程，當應力存在時，外延結構變化較無彈性場時變快。
　　另外還利用相場模型模擬了鄰晶面上的臺階生長以及退火過程，