薄膜生长中的表面动力学(ⅰ).pdf

维普资讯 第 23卷 第 1期 物 理 学 进 展 V01．23．No．1 20O3年 3月 PRoGRESS IN PHYSICS M ar．，2003 文章编号 ：1000-0542{2003)01-0001-61 薄膜生长中的表面动力学 (工) 王恩哥 (中国科学院物理研究所国际量子结构中心 ，北京 100080) 摘 要 ：本文较全面地从理论上研究了薄膜生长过程中原子在表面上的各种动力学表 现 ，涉及的内容包括亚单层生长时，原子在表面上的扩散 ，粘接 ，成核 ，以及已经形成的原子 岛 之间的相互作用 ，兼并，失稳 ，退化等一系列过程。作为研究的基础 ，在本文的第一部分 (即 O～6章)中，我们首先介绍 了目前这方面理论研究中所主要使用的各种方法。例如 ，第一性原 理计算 ，分子动力学模拟 ，蒙特卡罗模拟 ，速率方程和过渡态 (isr)理论等。基于这些研究， 我们介绍给读者为什么原子成岛时在低温下选择分形状 ，而在高温时则选择紧致状。这一过 程可以用经典 的扩散子 限制集聚理论 (Diffusion-LimitedAggregation，DLA)。然而当有表面 活性剂存在时形核 的规律完全相反 ，由此提 出了一个反应 限制集聚理论 (Reaction-Limited Aggregation，砒A)。这两个理论 目前可以很好地解释亚单层生长时的一般形核规律。接下 来我们讨论了长程相互作用对生长初期原子形核 的影响，并进一步得 出了相应 的标度理论。 在第 6章我们系统地研究了分了吸附对二维原子岛形状 的控制性 ，从而提出了边-角原子扩 散的对称破缺模型。 关键词 ： 表面动力学；薄膜生长；纳米结构；形核理论；原子扩散 中图分类号： 0484．1 文献标识码 ： A 0 引 言 随着现代微 电子及光电子工业 向着集成化和微型化发展的趋势，探索满足特殊需求 的材料和器件结构并研究其制备过程、控制条件以及相关的特异量子效应 ，已经成为当今 众多学科交叉研究的热点之一。特别是为了满足市场需求 ，器件的尺寸将越做越小。40 年代的真空器件尺寸是几 tin大小 ，60年代的固体器件尺寸是 rnrn大小 ，8O年代超大规 模集成电路 中的器件尺寸是 tan大小，预计二十一世纪的分子 ／电子器件尺寸将是在 nlTl 量级的。就一般情况而言，这些材料和结构都是在非平衡态下通过薄膜生长而获得 的。 因此 ，薄膜科学逐渐成为一门研究薄膜制备技术、生长机理、控制方法和物性分析的科学。 收稿 日期 ：2002-11-19 基金项 目：国家重点基础研究 973计划 (G2o00o671O3)；国家高技术 863计划 (2Oo2AA311151)；国家基 金委 “创新研究群体”(60o21403)；国家基金委面上项 目；国家基金委重点项 目 ‘ 维普资讯 2 物 理 学 进 展 23卷 经过近20年的发展，薄膜科学已经包含 了极其丰富的内容。 众所周知 ，薄膜材料的制备归根到底是一个表面动力学过程，它集中地表现为原子在 表面上的扩散、粘接、成核、生长，以及原子岛之间的相互作用 、兼并、失稳 、退化等一系列 的表面原子过程。这方面研究的重要性将表现在如下两个方面。 首先，从基础研究的角度来看，薄膜制备的质量与生长初期沉积原子在亚单层的扩散 及成岛的形状有关。因此 ，对形核机理的研究将涉及到吸附原子之间及其与基底原子之 间的相互作用等诸多表面科学的基本问题。另外薄膜生长往往表现出一些特殊的动力学 规律 ，这些规律可以被某一形式的标度理论来描述。在一定的条件下 ，发展薄膜生长的动 力学方程 ，并 由此获得对应的标度系，已经导致了近二十年来在固体物理和统计物理交叉 领域里的一系列重要发现和突破…。 其次 ，从技术应用的角度来看 ，人造材料的力学、电学和磁学性质完全依赖于纳米微