材料生长动力学动力学粗化奇异标度谷堆表面分形基底博士论文

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Cu_W薄膜表面形貌的分形表征与电阻率

互间关系的研究长期未见突破 . 近年来 ,人们认识到分形几何和尺度的概念能够在相当程度上简化对粗糙表面的描述
[6 ] [5 ]
. 由
以表面分形为手段 ,探讨薄膜的表面完整性 ,力求提取薄膜生长过程中的表面特征信息 , 并分析其与电阻率的可能关系 .
Mandelbrot 提出的分形论认为 , 分形是指一类无规
[18 ]
. 因此样品 AFM 图像的
高频段直接反映了薄膜表面的细节信息 , 体现薄膜表面的整体复杂程度 . 也即图 5 高频段曲线的变化
图4 Cu2W 薄膜分形维数随溅射时间的变化
程度预示着薄膜精细结构的不同 . 可以认为高频段
3期
Байду номын сангаас
汪渊等 :Cu2W 薄膜表面形貌的分形表征与电阻率
903
第 53 卷第 3 期 2004 年 3 月 100023290Π 2004Π 53 (03) Π 0900205
物理学报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 53 ,No. 3 ,March ,2004 ν 2004 Chin. Phys. Soc.
Cu2W 薄膜表面形貌的分形表征与电阻率
则、混乱而复杂 , 但其局部与整体存在自相似的体系 . 一个系统的自相似性是指某种结构或过程的特征从不同的空间尺度或时间尺度来看都是相似的 , 或者某系统或结构的局域性质或结构与整体相似 . 一般情况下自相似性有比较复杂的表现形式 , 不是局域放大一定倍数以后简单地和整体重合 . 但是 ,表征自相似系统或结构的定量性质如分形维数 , 并不会因为放大或缩小等操作而变化 , 即存在伸缩对称性
1

液滴撞击不同粗糙度固体表面动力学行为实验研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｄｒｏｐｌｅｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｑｕｉｄｓｏｎｔｏｓｏｌｉｄｓｕｒｆａｃｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ＤｉｆｆｅｒｅｎｔＲｏｕｇｈｎｅｓｓ
ＱＩＮＭｅｎｇｘｉａｏ，ＺＨＡＮＧＸｕｈｕｉ。ＴＡＮＧＣｈｅｎｇｌｏｎｇ
（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｕｌｔｉｐｈａｓｅＦｌｏｗｉｎＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ ’ ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ’ ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）
液滴撞击不同粗糙度固体表面动力学行为实验研究
秦梦晓，张旭辉，汤成龙
（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，７１００４９，西安）
摘要：针对液滴撞击固体表面时动力学行为的不同影响因素，利用高速摄像技术捕捉了４种物性不同的液滴，即癸烷、十四烷、蒸馏水和无水乙醇液滴撞击不同粗糙度固体表面后的铺展与飞溅形
面越粗糙，液滴在铺展过程中需要润湿越大面积的壁面，增加了黏性耗散，且受到的阻力也更大，相

分子束外延(MBE)生长方程标度奇异性的动力学重整化群分析

分子束外延(MBE)生长方程标度奇异性的动力学重整化群分
析
陈华;唐刚;张雷明;寻之朋;刘绍军
【期刊名称】《北京师范大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】2008(44)1
【摘要】采用表面界面生长方程动力学标度奇异性的动力学重整化群理论,分析了线性和非线性分子束外延生长方程(molecular-beam epitaxy(MBE))的动力学标度奇异性.结果表明,生长方程的动力学标度性质与基底的维数d有关,只有d的取值满足一定条件时,生长方程才会出现奇异动力学标度行为,这和使用直接标度分析方法得到的结果一致.
【总页数】4页(P43-46)
【关键词】表面界面粗糙化生长;动力学标度;动力学重整化群理论;分子束外延生长方程
【作者】陈华;唐刚;张雷明;寻之朋;刘绍军
【作者单位】中国矿业大学理学院;北京师范大学物理学系
【正文语种】中文
【中图分类】O781;TG139.8
【相关文献】
1.图形化衬底对高In组分InGaN材料分子束外延(MBE)生长的影响 [J], 李宝吉;吴渊渊;陆书龙;张继军
2.V波段GaAs体效应管材料的分子束外延（MBE）生长 [J], 彭正夫;张允强
3.含有广义守恒律的生长方程标度奇异性的直接标度分析 [J], 张丽萍;温荣吉
4.d+1维Kardar-Parisi-Zhang方程动力学标度奇异性的直接标度分析 [J], 夏辉;魏明;唐刚
5.守恒和非守恒KPZ方程标度奇异性的重整化群分析 [J], 陈华;唐刚;张雷明;寻之朋
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薄表面层生长动力学

薄表面层生长动力学
薄表面层生长动力学主要研究的是薄膜在生长过程中的各种动力学表现。

这包括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、失稳和退化等一系列过程。

在某些研究中，科学家们对柱面和锥面的薄表面层前端非正常棱边推移动力学系数进行了计算。

结果显示，由于E slice (010)> E slice (101)，柱面薄表面层的生长动力学系数大于锥面。

此外，还建立了基于非奇异面上台阶生长机制下的薄表面层生长体扩散模型。

另外，有实验研究了具有不同形式棱角的NH 4 H 2 PO 4 (ADP)晶体Z切片样品。

观察了不同Z切片薄表面层的形成及生长特性，并计算了不同棱角情况下薄表面层的切向生长速度V及其动力学系数β。

结果表明，正常棱角的缺失会影响Z切片对其原有形态的“判断”，进而影响其生长的动力学特性。

对于非平衡态条件下生长的薄膜，其表面通常具有标度特性，可以用动力学标度理论进行研究。

微尺度颗粒撞击平板表面的动力学特性研究

微尺度颗粒撞击平板表面的动力学特性研究微颗粒物的沉积现象广泛存在于日常生活和工业生产中。

颗粒与壁面间的碰撞过程作为沉积现象的动力学本质和基础受到了越来越多的关注。

国内外对颗粒与壁面的碰撞过程的研究虽然较为丰富,但是当颗粒处于微米尺度时,颗粒间的非弹性碰撞动力学的研究国际上较不成熟,尤其对煤灰颗粒撞击不锈钢表面后的动力学特性的预测更是少见报道。

本文采用实验和建模相结合的方法,对微米颗粒撞击平板表面的动力学特性进行了系统、深入的研究。

首先,对气流和平台温度在20℃～160℃范围内变化时二氧化硅颗粒与不锈钢表面的法向撞击过程进行了实验研究。

实验采用高速摄像技术获得了不同温度条件下颗粒在撞击过程中的法向恢复系数随入射速度的变化规律,重点考察了温度、粒径及入射速度对颗粒碰撞后反弹特性的影响,分析了热泳力及流体曳力在碰撞过程中颗粒受力分析时可忽略的合理性,基于此对不同实验条件下的临界捕集速度进行了预测。

其次,针对无粘附时颗粒与平板碰撞的法向动态碰撞过程,基于Hertz准静态接触模型,将塑性变形引起的能量损失作为唯一耗能机制,结合牛顿运动方程分阶段的建立了物理基础和数学推导更为严谨的颗粒与平板碰撞的动力学模型。

基于此模型对颗粒的碰撞行为进行了预测,包括材料特性对能量损失因子的影响、颗粒的动力学参数的变化规律及颗粒的法向恢复系数等。

通过将模型计算的法向恢复系数及接触时间与前人实验数据的对比验证了该模型的合理性。

再次,基于扩展的JKR静态接触模型,在入射阶段和反弹阶段均考虑了粘附作用的影响,结合牛顿运动方程分阶段的建立了考虑粘附作用时颗粒与平板法向碰撞过程的动力学模型。

基于此模型对颗粒在碰撞过程中的受力、变形和运动规律进行了预测,并进而推导出法向恢复系数和临界捕集速度的预测关系式。

通过与前人实验数据的对比验证了该模型的可行性和合理性。

最后,对室温环境下煤灰颗粒与不锈钢表面的斜向碰撞过程进行了实验研究,重点考察了入射速度、入射角度对碰撞后颗粒的反弹特性的影响,同时根据发展的经典硬球接触理论,发现该实验工况下完全滑动碰撞过程和非完全滑动碰撞过程的临界入射角为60°,从而获得了煤灰颗粒与不锈钢表面的动摩擦系数,其大小为0.6,并最终基于该参数建立了颗粒的切向恢复系数、接触点的切向反弹速度及反弹角的预测关系式,为气固两相流中颗粒与壁面碰撞特性的量化研究提供了可靠依据。

在基底材料性质和表面粗糙度等对液...

国内图书分类号：O363.2 学校代码：10079 国际图书分类号：532.7 密级：公开硕士学位论文非平整基底上含不溶性活性剂溶液的流动特性硕士研究生：裴建军导师：叶学民教授申请学位：工学硕士学科：动力工程及工程热物理专业：热能工程所在学院：能源动力与机械工程学院答辩日期：2014年3月授予学位单位：华北电力大学Classified Index: O363.2U.D.C: 532.7Thesis for the Master DegreeFlow Characteristics of the Solution with Insoluble Surfactant on topographic substratesCandidate：Pei JianjunSupervisor：Prof. Ye XueminSchool：School of Energy Power and Mechanical EngineeringDate of Defence：March，2014Degree-Conferring-Institution：North China Electric Power University华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《非平整基底上含不溶性活性剂溶液的流动特性》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。

据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。

本声明的法律结果将完全由本人承担。

作者签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文使用授权书《非平整基底上含不溶性活性剂溶液的流动特性》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。

本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。

表面界面粗化生长动力学标度性质的理论研究共3篇

表面界面粗化生长动力学标度性质的理论研究共3篇表面界面粗化生长动力学标度性质的理论研究1表面界面粗化生长动力学标度性质的理论研究随着科学技术的不断进步，纳米材料的制备越来越引起人们的关注。

而在纳米材料制备中，表面粗化生长现象是一种重要的现象。

因此，对表面界面粗化生长动力学标度性质进行理论研究显得尤为重要。

表面界面粗化生长动力学标度性质是纳米材料制备中重要的物理学问题之一。

其研究对象包括于形貌演化相关的自组织表面模式、相分离、自聚集及纳米生长。

对于表面粗化生长现象的研究，可以提高我们对相关纳米材料的制备和应用的认识，同时也可以帮助我们更好地控制纳米材料制备的过程。

在表面界面粗化生长动力学标度性质的研究中，有一个非常重要的概念就是标度理论。

标度理论是指某些物理现象在不同尺度下的共性特征。

在研究表面界面粗化生长的过程中，标度理论的运用可以帮助我们更好地了解不同体系的标度行为，从而得出更加精确的结论。

除了标度理论的运用之外，表面界面粗化生长动力学标度性质的研究还需要掌握一定的实验技术。

通过实验可以获得大量的数据，从而进一步分析并得出结论。

同时，实验数据还可以用来验证理论的正确性和可靠性。

研究表面界面粗化生长动力学标度性质的过程中，还需要考虑许多其他因素，比如材料的物理性质、化学性质等等。

这些因素可以通过理论模型来进行考虑，并进一步准确地预测表面界面粗化生长的动力学标度性质。

在表面界面粗化生长动力学标度性质的研究中，我们还需要掌握一些关键技术，比如原子力显微镜、扫描电子显微镜等等。

这些技术可以帮助我们更加精确地观察和记录材料在表面界面粗化生长过程中的动态变化情况，从而得出更加精确的结论。

总之，表面界面粗化生长动力学标度性质的理论研究是纳米材料制备的一个重要研究领域。

通过研究表面界面粗化生长过程中不同体系的标度行为，我们可以更好地了解表面界面粗化生长的动力学标度性质，并进一步实现纳米材料的精准制备。

这对于推动纳米科技的发展，具有非常重要的意义表面界面粗化生长动力学标度性质的研究对纳米材料制备具有重要意义。

几种典型分形基底上受限固—固模型生长表面粗糙度及极值高度的数值模拟研究

几种典型分形基底上受限固—固模型生长表面粗糙度及极值高
度的数值模拟研究
近年来人们从实验和理论等方面对非平衡态下的表面界面粗化生长现象进行了广泛深入的研究并取得了丰富和有价值成果。

基底的结构对生长表面的性质有重要的影响,特别是分形基底结构对生长表面性质的影响近来引起了人们的浓厚兴趣。

通过对比分析不同分形基底上离散生长模型生长表面的动力学性质来探究分形基底结构对表面生长动力学性质的影响。

本文采用蒙特卡洛方法,通过在具有相同分形维数的谢尔宾斯基箭头和蟹状分形基底以及具有相近随机游走指数的科赫曲线和科赫格子分形基底上受限固-固模型生长表面的表面粗糙度及生长极值高度的分析研究,确定这些分形基底的结构对受限固-固模型生长表面动力学标度性质的影响。

结果分析表明:谢尔宾斯基箭头和蟹状基底上受限固-固模型的表面宽度均表现出很好的动力学标度行为,仍然满足Family-Vicsek标度规律,但由此计算得到的粗糙度指数,动力学标度指数,生长指数并不相同。

分形基底结构的改变影响了离散生长模型的动力学行为,基底谱维数的不同造成了表面界面粗糙度的差异。

此外,饱和生长表面的极值高度并不能满足Weibull,Gumbel和Frechet这三种常用的极值统计分布,而是能很好地符合Asym2Sig分布。

而在科赫曲线和科赫格子分形基底上,尽管两种分形基底具有不同的分形维数和谱维数,但是通过计算,在两种分形基底上得到了在误差范围内相同的粗糙度指数。

两种分形基底上饱和表面相对生长高度极值具有相似的统计分布规律,重新
标度后可以很好的塌缩在一起,也能很好的满足Asym2Sig函数分布,表明基底的随机游走指数主要影响了离散模型饱和生长表面的饱和性质。

晶体生长动力学过程中的表面扩散机制研究

晶体生长动力学过程中的表面扩散机制研究晶体生长是一种自然界中普遍存在的现象，对于材料科学和领域来说具有重要意义。

在晶体生长的过程中，表面扩散起着至关重要的作用。

表面扩散机制的研究对于理解晶体生长动力学过程中的原子迁移和晶体质量的提高具有重大意义。

本文将重点探讨晶体生长动力学过程中的表面扩散机制以及其在材料科学领域的应用。

晶体生长过程中的表面扩散是指原子和分子在晶体表面附近的迁移行为。

晶体生长前期的快速生长阶段，主要受到物理因素的影响，而晶体生长后期的缓慢生长阶段，主要受到化学因素的影响。

表面扩散机制是指晶体表面吸附的原子或分子通过不同的迁移方式在晶体表面扩散，从而导致晶体生长的过程。

晶体中的表面扩散机制有几种类型，包括体心立方的(FCC)和密堆垛的(HCP)层面扩散，以及堆积扩散和孤立扩散。

这些扩散机制在晶体的生长过程中起着不同的作用。

FCC和HCP层面扩散是指原子或分子在晶体表面的不同层面之间的扩散。

堆积扩散是指原子或分子在晶体表面上的不同位置之间的迁移，而孤立扩散是指原子或分子在晶体表面上的孤立点之间的迁移。

表面扩散机制的研究对于晶体的生长速率和质量有着重要的影响。

在晶体生长的过程中，表面扩散的速率决定了晶体的生长速率。

通过研究和理解表面扩散机制，可以提高晶体生长的速率和质量，从而制备出优质的晶体材料。

因此，表面扩散机制的研究具有重大的科学意义和应用价值。

在材料科学领域，表面扩散机制的研究已经取得了一定的进展。

通过使用X射线衍射、原子力显微镜等现代表征技术，可以观察到晶体表面的原子迁移行为，并进一步研究表面扩散机制。

同时，借助计算方法，可以模拟晶体生长动力学过程中的表面扩散机制，进一步深入理解晶体生长的原理和规律。

未来，随着材料科学技术的不断进步，对于晶体生长动力学过程中的表面扩散机制的研究将会取得更加深入的认识。

通过进一步研究表面扩散机制，可以实现材料科学领域的突破，开发出更加高效和优质的晶体材料。

低维金属体系的控制生长和奇异物性研究的开题报告

低维金属体系的控制生长和奇异物性研究的开题报告一、研究背景及意义随着纳米技术的发展和应用，低维金属体系作为一种重要的纳米结构材料，受到了越来越广泛的关注。

在低维金属体系中，由于维度的减小和表面的增大，会出现一些非常奇特的物态及电子行为，比如量子大小效应、量子限域效应、载流子的二维化及纵横比的大幅增加等。

这些奇特的物态及电子行为给低维金属体系带来了很多潜在的应用前景，如纳米电子器件、纳米传感器、量子计算机等。

然而，在实际应用中，低维金属体系的控制生长和奇异物性是影响其应用的重要因素。

因此，对于低维金属体系中生长和物性的控制研究具有优先和重要的催化作用。

二、研究方法和目标本研究拟采用化学气相沉积法、物理气相沉积法和溶液法等方法，制备低维金属体系。

使用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X光衍射仪、拉曼光谱仪等仪器对材料的形貌、结构和光学、光电性能进行测试和表征。

同时，还将研究低维金属体系在不同环境下的电、热、力学等特性，以及相应的性质优化方法。

三、研究内容及难点1.低维金属体系的制备方法和生长机制研究；2.低维金属体系的形貌、结构和光学、光电性能的测试和表征；3.低维金属体系在不同环境下的电、热、力学等特性的研究以及性质优化方法的探究。

本研究难点在于：1.低维金属体系的制备过程需要大量的实验探究和经验积累；2.低维金属体系的形貌、结构和光学、光电性能的表征需要高分辨率和高敏感度的表征手段；3.低维金属体系在不同环境下的电、热、力学等特性的测试方式需要选择合适且具有一定难度的实验方法。

四、研究意义与预期成果本研究将对低维金属体系的制备、其形貌、结构和光学、光电性能的测试和表征、以及低维金属体系在不同环境下的电、热、力学等特性的研究，并探究性质优化方法等方面进行全面的探讨与研究，对于该领域的相关研究有一定的理论指导作用。

本研究的预期成果包括：1.低维金属体系的制备方法和生长机制研究；2.低维金属体系的形貌、结构和光学、光电性能的测试和表征；3.低维金属体系在不同环境下的电、热、力学等特性的研究，以及性质优化方法的探究。

生长动力学

1949年：Frank，缺陷界面螺位错生长模型 1951年：Burton, Cabrera, Frank，总结，提出界面生
长动力学理论模型，BCF理论模型 1958年：Jackson，粗糙界面理论模型 1966年：Temkin，弥散界面理论模型 1973年：Hartman等，周期键链理论模型，PBC模型 90年代：仲维卓，负离子配位多面体生长基元理论模型
2(
1)
xs
s 0
/(
sa)
2
xs
s 0
/(
sa)
由此得直台阶的运动速率为
V
(2
xs
s 0
/sa) a
2
xs
s 0
/s
V 2 xs exp(lsf / kT )
1
s
exp(W s
/ kT)
0s exp(W k / kT)
lsf W s W k
V Ag A :台阶的动力学系数
对气相生长(g kT )
h:台阶高度 yo:相邻台阶的间距 k:台阶线密度=1/yo
z=z(y,t)
tan
z( y,t) y
kh
h /
y0
q :台阶流量在奇异面上给定点，单位时间通过的台阶数 q 台阶密度台阶列速度，即 q U k U / y0
台阶列的运动引起的奇异面的法向生长速率为
R＝h q
U
h y0
U
原子全部坐落在该面内畸变严重界面能大邻位面由两组或三组奇异面构成畸变消除界面
能
邻位面
一、晶面上分子的势能
邻位面台阶化邻位面的生长归结为光滑晶面上的台阶运动
模型：简单立方晶体 100 面
21：最近邻分子的交互自由能

应变AlN表面生长动力学

应变AlN表面生长动力学曹志峰;林伟;庄芹芹;李书平;康俊勇【摘要】AlN半导体通常在异质衬底上外延,生长过程中往往承受较大的晶格失配应力.基于第一性原理,研究了应变AlN表面生长基元,如Al和N原子以及Al-Nn 团簇的微观生长动力学.与非应变AlN比较显示,N原子形成焓有所提升,难以形成稳定吸附;而Al原子则由活跃转为稳定吸附.通过比较不同团簇表明,Al-N3团簇结合能远低于Al-N、Al-N2和Al-N4团簇,最为稳定.进一步计算不同生长氛围下形成焓差异的结果显示,应变Al-N3团簇形成焓略有提升,但总体仍呈现稳定吸附的特性.基于各生长基元在不同生长氛围下应变AlN的动力学特性差异,设计了分层生长步骤.生长初期通过生长源的切换,分别提供有利于N原子和Al原子扩散的氛围,以形成均匀分布的晶核;再通过同时供给N和Al源形成Al-N3团簇,利用其跨度大、吸附稳定等特性,促进表层晶核间的跨越生长,以形成连续的二维外延层,为在大失配异质衬底上外延致密、平整、优质的AlN薄膜提供了新的方案.【期刊名称】《厦门大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(054)003【总页数】6页(P378-383)【关键词】高Al组分AlGaN;第一性原理;表面生长【作者】曹志峰;林伟;庄芹芹;李书平;康俊勇【作者单位】福建医科大学数理与计算机教学部,基础医学院,福建福州350108;厦门大学物理与机电工程学院,福建省半导体材料及应用重点实验室,福建厦门361005;厦门理工学院光电与通信工程学院,福建厦门361024;厦门大学物理与机电工程学院,福建省半导体材料及应用重点实验室,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建省半导体材料及应用重点实验室,福建厦门361005【正文语种】中文【中图分类】O472近年来,AlGaN半导体得益于热学、导电、光学、化学、机械的优异性能,在生物医药领域,特别是水和空气的净化、食物的消毒和生物化学方面表现出良好应用价值[1-23],引发了业界的广泛关注.尽管AlGaN的开发前景值得称道,然而随着研究工作向实际应用方向发展,生长原子级平整界面的高Al组分AlGaN特别是Al N仍是严峻的挑战.原子级表面外延生长受制于Al原子较低的表面迁移和三甲基铝(TMAl)和氨(NH3)之间的气相预反应[4].主流观点认为,Al N生长温度高于1 300℃时可有效提高晶体质量[5],然而如此高的温度对于生长设备则提出较为苛刻的要求.近年来,研究人员提出了金属有机物气相外延(MOVPE)高温生长的替代方案,在相对低的温度下交替供给III族源TMA1和V族源NH3,而不是同时供给气源以提高Al组分AlGaN结晶质量.这种方法在避免剧烈气相预反应的同时,也提升了Al原子在相对低生长温度下的迁移扩散.即便如此,所生长的薄膜仍形成大量的分形状扩展晶界,导致晶界合并后随机的扭曲分布并形成穿透位错,不利于辐射复合和载流子传输.近年的研究表明表面活性剂在氮化物半导体材料的外延生长过程中能够降低表面自由能、释放应力、促进二维模式生长,有助于材料表面形貌、晶体质量、光学性质的改善.实际上,构建材料的生长基元对降低表面能也可起到积极的作用[6-7].此前的实验和理论研究均认为,生长参数的选择强烈地影响初始生长的单元,如单原子和团簇基元,及随后形成的晶岛形状.通过有序地引入适当的生长基元,由不同致密度同质层构成的外延层能改善薄膜表面的致密和平整度[8-10].然而,在蓝宝石异质衬底上外延的高质量外延Al GaN薄膜需要生长足够厚度方能取得,这意味着与蓝宝石之间存在的晶格失配应力对生长过程仍然起着较大的作用[11].因此,开展应变Al Ga N,尤其是Al N的外延生长动力学过程的研究对改善外延层表面平整度、晶粒取向,降低穿透位错密度将具有重要的学术意义和应用价值.直接从实验上观察原子级层面生长基元的微观迁移过程相当困难,而第一性原理模拟则可从微观上近乎真实地描述表面生长基元的迁移机制[12-14],有助于揭示逐层外延的生长规律,弥补实验观测的局限.本工作将采用第一性原理总能量计算方法,评估吸附在应变Al N表面基本生长基元,如Al原子、N原子、Al-N分子和Al-N3团簇不同生长氛围下的形成焓变化,以了解各基本生长基元在应变Al N生长过程中的作用机制.通过对计算结果的分析,描述吸附物迁移行为的差异.设计分层生长的步骤,调节控制Al和N原子的迁移扩散,促使晶粒的二维生长;引入Al-N3团簇诱导表层晶核间的跨越生长,进而形成表面平整、致密的AlN薄膜.AlN与蓝宝石的晶格常数差异高达34.6%.虽然在蓝宝石衬底上异质外延的Al N晶格相对于蓝宝石衬底绕c轴旋转30°,显著降低失配度,但是Al N层将承受13.3%的压应变[15-17].为了模拟压应变下生长基元差异化的迁移行为,我们将超原胞晶格常数从平衡值a=0.313 nm,调整至0.277 nm,以实现13.3%的压应变.在此基础上,我们构建了洁净表面超原胞模型,如图1所示.其中Al N(001)表面由3×3×4基本Al N元胞构成,表面上部填置1.3 nm的真空层,以避免周期性排列的干扰;超原胞共有4个分子层,表面原子可弛豫,底部分子层固定,其N原子的悬挂键采用H原子钝化,以模拟压应变条件.计算基于密度泛函框架的第一性原理方法,采用VASP程序包(Vienna Ab-initio Simulation Package)[18-19].电子—离子相互作用采用投影缀加波膺势法(PAW)描述,选用基于广义梯度近似方法中的GGA函数作为电子交换关联能[20],在计算中没有考虑自旋极化的影响,但是采用了偶极修正.在研究生长基元吸附之前,首先计算了体材料晶格常数,体系的波函数用平面波函数展开,平面波切断能设为520 eV.布里渊区中积分采用Monkhorst-Pack方法[21],其中AlN体材料和表面超原胞模型计算分别选取8 ×8×8和4×4×1的k点网格.计算过程中通过弛豫优化原子在原胞中的位置,并以原子所受的Hellmann-Feynman力小于0.1 e V/nm作为弛豫收敛标准.优化所得的Al N体材料平衡晶格常数值为a= 0.313 nm,c=0.504 nm,与多数文献报道的理论和实验数值相近[22],证明了结构优化可靠性.表面的外延生长始于表面生长基元成核.为表征生长基元在AlN(0001)表面不同化学剂量下吸附的强弱,以洁净Al N表面为参考,生长基元吸附形成焓采用如下公式式中Etot和Eclean分别为吸附生长基元和洁净表面体系的总能量,Δn为相对于洁净表面模型各种表面模型中Al和N原子数目的变化量,μAl和μN分别代表Al原子和N原子的化学势,μAlN为Al N的化学势,当AlN表面和体结构平衡时,μAlN=μAl+μN.为了了解AlN表面生长基元形成焓特点,我们引入Al相对化学势ΔμAl=μAl¯μAlbulk,其中μAlbulk为Al体材料的化学势.基于生长基元在Al N表面的形成焓定义式(1),我们计算了N原子、Al原子及Al-N分子3种最基本生长基元的形成焓.在ΔμAl=¯ΔHf= ¯2.953 e V(富N环境)到ΔμAl=0(富Al环境)之间的计算结果如图2所示.相对于洁净表面,各生长基元在无应变和应变AlN表面的形成焓均随Al相对化学势ΔμAl的变化呈现线性依赖关系.在无应变AlN表面上,N吸附原子的形成焓随着ΔμAl的增大而增大,并在ΔμAl≥¯2.1 e V后超出零点(洁净表面的形成焓),说明无应变Al N表面的富N环境更有利于N原子吸附.与此相反,无应变Al N表面Al吸附原子的形成焓则随着ΔμAl的增大而减小,直至ΔμAl≥¯0.4 e V才低于洁净表面的形成焓.由此表明,Al和N原子分别倾向于在富Al和富N环境下的无应变Al N表面上稳定吸附.而Al-N分子在无应变Al N表面的形成焓为一小于零的常数值,且比Al和N吸附原子的小,表现出稳定吸附的行为特征.在应变Al N表面上,N吸附原子形成焓在富N至富Al环境下相对于无应变的均有所提升,且均高于洁净表面,呈现更为活跃的扩散能力,但在富N环境下形成焓能量仍相对较低.Al原子形成焓则有所下降,低于洁净表面,表现出更为稳定吸附的特性.对于Al-N分子的形成焓虽仍为一常数值,但相比于应变时,能量大幅低于其他生长基元,难于在表面扩散迁移.在MOVPE异质外延过程中,通常采用高V族/ III族比的气源持续供给.TMAl和NH3源容易预反应,形成团簇Al-Nn气相生长基元,参与外延生长.典型的Al-Nn团簇有多种可能的构型,为此我们进一步从能量上估算Al-N、Al-N2、Al-N3以及Al-N4团簇的结合能:其中EAl¯Nn和Ei分别为Al-Nn和单个Al或N原子的总能.在所计算的团簇生长基元中,Al-N3结合能最低,如图3(a)所示,这意味着Al原子被3个N原子环绕的构型为最稳定的团簇,在TMAl和NH3源预反应过程中存在的几率最大,为最可几生长基元.为了了解Al-N3团簇在应变Al N表面的生长动力学特性,我们依据式(1)计算了其形成焓,并比较其与无应变Al N表面的差异,如图3(b)所示.无论是在富N还是富Al 环境,Al-N3形成焓均比无应变Al N表面的显著增大.尤其在富Al环境下,应变Al N表面上的Al-N3形成焓已增大到与N原子、Al原子及Al-N分子生长基元在无应变Al N表面的形成焓相近.甚至比应变Al N表面Al原子在富Al环境下的形成焓还高(见图4).这表明在富Al环境下Al-N3团簇尽管能稳定吸附应变Al N表面,但已比Al原子更容易扩散.尽管Al-N3团簇在应变AlN表面的迁移特性已得到改善.然而,Al-N3团簇易于饱和表面原子的悬挂键,比起其他吸附体易具有更低的形成焓能量.在大多数条件下,特别是MOVPE常处的富N条件,Al-N3团簇仍然能稳定吸附于应变Al N表面.即使考虑到1 100℃的生长温度驱动和生长气流在表面的吹动, Al-N3团簇在应变Al N 表面的扩散仍然缓慢.吸附原子易聚集成核,生长模式发展成快速的3D岛状生长.晶岛之间难以自行调适,且衬底非均匀的面内应力也阻碍晶核间形成统一的有序晶向,难以紧密地接合,从而形成了粗糙的表面形貌.可见,与其他生长基元类似,单凭一类生长基元都无力实现即能在表面稳定吸附又能扩散形成2D生长,外延出高结晶质量的薄膜.但是若能分别合理控制生长的氛围和生长的基元种类,突破传统生长局限完全有可能.根据图4(a)的计算结果,N原子形成焓较高,若在应变Al N表面给予N氛围,可以在表面均匀覆盖N原子,并进而形成富N条件,有利于N吸附原子形成焓的降低.然而,在富N条件下,Al吸附原子的形成焓增大,有利于其在表面的扩散,形成2D生长模式.因此,在单独给予Al原子之前,先给予N原子,既能在应变Al N表面上稳定吸附Al原子,又能扩散形成2D生长;若从给予N原子到给予Al原子的速度足够快时,应变Al N表面上预先覆盖的N原子与Al原子反应生长Al N分子层完全有可能.依此,我们设计应变Al N生长的气源供给序列的步骤为,先通入NH3(1),而后关闭NH3同时通入TMAl(2)供给Al源,如图4(b)所示.对于实际生长过程,后通入TMAl气难于控制化学剂量比的平衡.已有实验表明,富Al 容易在Al N表面形成Al晶粒.晶粒不均匀的面内应力将影响表面生长动力学.特别是在晶界处,c轴倾斜和绕c轴扭转的无序将导致晶粒接合的困难[23].早前的实验和计算研究表明晶向倾斜往往引入平行于生长方向的螺位错和平行于生长表面的刃位错,而扭曲则产生平行于生长方向的刃位错,这说明晶界区域含有高密度的不稳定位错[24].不仅如此,纤锌矿结构沿不同晶面取向生长速率存在差异,使得快速生长晶面渐消而缓慢生长的晶面不断扩张,进而最终决定了晶岛的形状[25].即使处于2D 生长模式的晶岛也往往被缓慢生长的晶面分界,尤其是倾斜的侧壁,通常在实验观测中表现为岛与岛之间的沟槽.如果晶岛间不能促成合并,沟槽的大小和深度将持续发展乃至形成穿透位错和V型缺陷[26-29].晶岛自发接合形成光滑的表面形貌显得困难重重,可行的方案是诱导生长基元悬跨过沟槽从而实现晶岛间的接合.在本文所论述的众生长基元中,具有3个Al—N键的Al-N3团簇由于其形成焓低,即使是在受到衬底压应力作用下亦可稳定吸附,因此最有可能与相邻表面原子稳定地成键,有利于接合沟槽分界的晶岛.然而,在富N条件下,Al-N3团簇的形成焓减小,在表面的吸附更牢,不利于扩散至势能较低的晶岛间凹陷沟槽处.而在富Al条件下,Al-N3团簇在应变AlN表面的形成焓却较高.因此,在同时给予Al和N原子之前,先给予Al原子,能显著改善Al-N3团簇在应变Al N表面的迁移特性,并能稳定吸附于表面.这样既有利于Al-N3团簇扩散至势能较低的晶岛间凹陷沟槽处,又能借助团簇较大的空间跨度,连接相邻的晶岛,改善薄膜的平整度.为此,我们设计在后阶段再同时通入NH3和TMAl.若与预先给予Al原子的气流量一样,就可以直接不关闭TMAl的同时通入NH3(3).由于形成Al-N3团簇时的较高V/III流量比,在同时给予Al和N原子的过程也将有利于改善预先给予Al原子的化学剂量比.即便如此,为了充分平衡预先给予Al原子的Al N表面化学计量比,在同时给予Al和N原子后,有必要单独给予N原子.为此,我们将步骤(3)与步骤(1)续接并循环往复,以达到生长所需要的厚度.随着AlN厚度的增加,AlN晶格单位体积所受到的压应力逐渐减小,循环初始若仍先通入NH3气,由于无应变表面N原子和团簇,形成焓减小,相比应变时有可能难以获得足够的能量自由迁移,而Al原子相比应变表面时将具有更多的能量,易于迁移扩散至稳定的晶格位置,由此在达到一定厚度后生长步骤需作出相应调整,循环初始率先通入TMAl(1),表面覆盖具有相对高形成焓的Al原子,随后关闭TMAl转而通入NH3(2),此时由于在转入富N环境后,Al原子迁移扩散更为活跃,在与N原子结合前有利于形成均匀分布,后阶段再通入同时给予TMAl和NH3(3),在前期应变AlN生长已形成的平整表面上延续2D生长并形成结晶性能良好的Al N外延片.依据分层生长步骤设计,采用MOVPE外延生长AlN.原子力显微镜观测表征表明,相较于传统生长的样品,引入分层生长的Al N样品表面粗糙度可达0.32 nm,表面平整,反映晶岛间合并且外延生长呈现2D生长模式.分层生长在AlN外延生长中有助于提高外延薄膜晶体质量,为探究Al N实际生长机制提供了线索,对于晶体外延生长过程的理解仍有待进一步深化.由于异质蓝宝石衬底和Al N外延膜之间的较大的晶格失配,成为影响Al N薄膜外延生长的重要因素.本文在第一性原理框架下对应变Al N表面基本生长基元,如Al 原子、N原子以及Al-Nn团簇的微观生长机制进行了系统研究.区别于无应变AlN 表面,N原子具有更多的能量,易于迁移扩散,应变表面形成焓减小的Al原子则由活跃转为稳定吸附.通过比较不同团簇表明,Al-N3团簇结合能远低于Al-N、Al-N2和Al-N4团簇,最为稳定.Al-N3团簇不同生长氛围下形成焓变化呈现与应变相似的趋势,形成焓能量略有提升,但总体仍呈现稳定吸附的特性.利用应变Al N表面差异化的迁移扩散行为,本文设计了分层生长步骤,生长初期先通入NH3(1),在表面均匀覆盖N原子,而后关闭NH3通入TMAl(2)供给金属源,利用预先形成的富N条件促使Al吸附原子的形成焓增大,在附着于不适宜的位置之前易弛豫至理想晶格位,有助于扩散形成2D生长,后阶段通入TMAl的同时引入NH3(3),在高V族/III族比的富N环境下,同时进入反应腔内的TMAl和NH3预反应形成跨度大、吸附稳定的Al-N3团簇,促进生长基元跨越晶岛表层之间的沟槽实现结晶化地合并,进而形成连续平整的2D生长外延层,为在大失配异质衬底上外延致密、平整、优质的Al N薄膜提供了新的途径.【相关文献】[1] Taniyasu Y,Kasu M,Makimoto T.An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres [J].Nature,2006,441:325-328.[2] Khan A,Balakrishnan K,Katona T.Ultraviolet light-emitting diodes based on group three nitrides[J].Nat Photonics,2008,2(2):77-84.[3] Nikishin S,Borisov B,Pandikunta M,et al.High quality Al N for deep UVphotodetectors[J].Appl Phys Lett, 2009,95:054101.[4] Hanlon A,Pattison P M,Kaeding J F,et al.292 nm AlGaN single-quantum well light emitting diodes grown on transparent Al N base[J].Jpn J Appl Phys,2003,42:628-630. 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薄膜生长中的表面动力学_王恩哥.

第23卷第2期2003年6月物理学进展PROGRESSINPHYSICSVol.23,No.2Jun.,2003文章编号:1000O0542(2003)02O0145O47薄膜生长中的表面动力学(Ò)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。

在第一部分(即0~6章,刊登在5物理学进展623卷1期上)介绍了薄膜生长动力学的基础之后,从第7章开始我们侧重研究一个在向同性和各向异性表面都普遍成立的原子岛尺寸大小及密度分布的标度定律;建立了一套研究在各向同性和各向异性表面上二维原子岛退化过程的广义动力学标度理论。

基于对层间质量扩散通道的研究,本文提出了两种不同的原子下跃机制,既任意跃迁机制和选择跃迁机制,并做了进一步的实验验证。

利用这一新的层间质量扩散机制,我们成功地解释了实验上观测到的三维原子岛的退化规律。

更加有趣的是,本文讨论了应力对岛的形状和各种动力学规律的影响。

在最后我们还提出了一个利用凝聚能转化来控制二维原子岛生长的方法,其目的是希望能够找到一种人为有效地在表面上制备低维量子结构的方法。

关键词: 表面动力学;薄膜生长;纳米结构;标度理论;稳定性;应力影响中图分类号: O48411 文献标识码: A7 原子岛形貌和尺寸分布的标度理论7.1 标度理论的建立在薄膜生长中,描述岛生长的基本量是岛尺寸分布函数Ns(H)。

这个量给出了在t 时刻尺寸为s(s是岛所包含的原子个数)的岛密度。

因为覆盖率H=Ft更容易与实验对比,所以我们利用H来表示岛尺寸分布对时间的依赖关系。

定义总的岛密度N和覆盖率H为:N=s\2ENs(H) H=EsNss\1(57)收稿日期:2002O11O19基金项目:国家重点基础研究973计划(G2000067103);国家高技术863计划(2002AA311151);国家基金委/创新研究群体0(60021403);国家基金委面上项目(19974069);国家基金委重点项目(146物理学进展23卷这样,平均岛尺寸S可以表示为[12,263]:S=这里N1是单个原子的密度。

QuenchedMullins_Herring生长模型的反常动力学标度

Q uenched Mull ins 2Herr i ng 生长模型的反常动力学标度陈庆虎1 ,2 , 焕1刘 ( 1 . 浙江大学物理系 ,浙江杭州 310027 ;2 浙江师范大学海峡两岸统计物理与凝聚态理论研究中心 ,浙江金华 321004)摘要 :利用中间时刻 r z 0 t 0 L z ( L 是系统尺寸且 r 0 L ) 等时的界面高度关联函数 G ( r , t ) , 通过直接数值积分 ,我们研究了 Q u enched Mullins 2Herring 生长模型的反常动力学标度行为 ,并得到了生长界面的局域粗糙指数 αloc = 0 . 97 ( 1) , 接近于 Mullins 2Her ring 生长模型的理论值 1 ,我们还计算了表征反常标度行为的临界指数 θ = 0 . 51 ( 3) 和局域生长指数 β = 0 . 29 ( 2) . 关键词 :生长模型 ;反常动力学标度 ;异常粗糙中图分类号 :O469 ;O488文献标识码 :A文章编号 :1001 - 2443 (2009) 04 - 0307 - 04引言生长界面的动力学问题是凝聚态物理和材料科学的重要研究内容. 界面的生长过程表现出普适的动力学标度行为 ,这种普适性可用一系列的临界指数来表征. 为了研究不同的生长过程 ,人们建立了很多生长模型 ,如固体 - 固体模型 ( solid 2o n 2solid m o del ,简称 SO S 模型) . 简化了的 SO S 模型常被广泛地用来研究界面的平衡态和非平衡态的性质 . 著名的 Kardar - Parisi - Zhang ( KPZ ) 方程1 ,2能很好的描述 SO S 模型在某些条件下非平衡态的生长过程 . 在这个生长过程中 ,每个粒子的扩散或吸收是瞬时发生的 ,并且这个短暂的过程只允许出现一次. 而在晶体的分子束外延 ( m olecular 2bea m 2epita xy ,简称 MB E ) 生长过程中 ,粒子的扩散遵从 A rr h enius 型运动规律 . 与 SO S 模型不同 ,在 MB E 生长中 ,粒子总是以一定的几率运动 ,它的运动受到两个R 0 e - E ( x ) / k T因素的影响 :一是粒子的跳跃几率 R , 另一个是粒子的沉积几率 R d . 粒子以几率 R = 跳动 , 其B 中激活能 E ( x ) = E 0 + n E b i n d 与位置有关 , E 0 是自由粒子的激活能 , n 是粒子在 x 处的最近邻化学键个数 ,E bi n d 是每个化学键的束缚能 ,而沉积几率则表示为单位时间内每一位置沉积的粒子数. 从上述分析我们可以看出 , KPZ 方程已不能用来描述 MB E 的生长过程 . 后来 ,人们发现四阶线性连续的 Mullins 2Herring 方程可以用来描述化学键环境下的 MB E 生长3 - 8 . 在外力存在时 , d = 1 + 1 维的 Mullins 2Herring 模型的方程表示如下9 ,10 :5 h ( x , t ) 4= - K A h + η( x , t ) + F ( 1)5 t其中 h ( x , t ) 是位置 x 和时间 t 的函数 , 表示生长界面的高度 ; 方程右边第一项用来描述界面在化学势梯度作用下的扩散过程 , 扩散系数为 K ; 第二项是噪音 , 它满足高斯分布〈η( x , h ) 〉= 0 和〈η( x , h ) η( x , h ) 〉= 2 Dδ( x - x )δ( h - h ) , F 是外界驱动力 . 在外力作用下 , 界面出现钉扎 - 脱钉相变 . 在文献 10 中 , 我们利用短时动力学方法研究了 quenched Mullins 2Herring 模型的脱钉相变 . 通过引进 Binder cumulant ,我们计算了总粗糙指数 ,生长指数和动力学指数 . 我们的短时动力学结果与长时稳态的动力学模拟的结果在误差范围内是一致的9 . 总粗糙指数 α = 1 . 48 ( 4) ,表明界面在生长过程中表现出超常的粗糙现象 ,即这个模型具有反常动力学标度行为 . 那么表征反常行为的临界指数是怎样的呢 ? 这就是本文重点研究的内容 .1 标度方法和计算公式在很多情况下 , 我们所研究的生长过程虽然远离平衡态 , 但是我们发现 , 类似于平衡态的二级相变 , 界收稿日期 :2009 - 03 - 15基金项目 :国家自然科学基金 ( 10574107 和 10774128) ; 浙江省自然科学基金重点项目 ( Z 7080203) . 作者简介 :陈庆虎 ( 1966 - ) , 男 , 安徽桐城人 , 教授、博士生导师 , 主要从事凝聚态理论的研究.面的涨落具有幂律行为 . 生长界面的粗糙程度用总界面高度涨落的均方根 W 表示 , 其定义为 :[ h ( x , t ) - h ( t ) ]2W ( L , t ) =其中 L 是系统格点数 , h ( t ) 是 t 时刻所有格点 x 处 h ( x , t ) 的平均值 . 在临界力 F c , 根据 Family 2Vicsek 假设 , W 满足动力学标度关系[ 9 - 15 ] :〈 W ( L , t ) 〉= t βf ( L / ξ( t ) )符号〈〉表示对噪音的统计平均. 因为标度函数 f ( u ) 满足下列关系式 :u α: u 0 1f ( u ) 0const : u 0 1 再加上关联函数为 ξ( t ) ～ t 1/ z , 重写上述标度关系 :t β: t 0L α : t 0Lz Lz〈 W ( L , t ) 〉～这里α,β = α/ z 和 z 分别是总粗糙指数 , 生长指数和动力学指数 . 我们已在短时临界动力学的研究中获得 :α= 1 . 48 ( 4) ,β = 0 . 835 ( 1) , z = 1 . 77 ( 5)[ 10 ]. 我们知道 , 总粗糙指数 α 表征界面达到饱和时的形貌. 因为〈 W 〉sa t ≡ W ( L , t → ∞) ～ L α , 在热力学极限下 , 当 α < 1 时〈, W 〉sat / L 0 Lα- 1趋于零 , 表明界面具有自相似性 ; 当 α > 1 〈, W 〉sa t / L 0 Lα- 1发散 ,说明界面经过很长一段时间的生长后 ,形貌变化很大 ,与初始的形貌不再相同 ,系统表现出超常的界面粗糙现象 .通常的 Family - Vicsek 动力学标度存在的前提是界面生长具有自相似性 ,系统没有特征长度 (除了系统尺寸) ,标度变换不会改变系统的物理性质 . 当界面存在超常粗糙行为时 ,不是所有的长度尺寸都等价 ,即局域的 (l ocal ) 界面涨落和系统总的界面涨落满足不同的动力学标度. 界面局域涨落的标度特性可以用等时高度关联函数来描述 ,其定义为11 ,12 ,16 ,17:G ( r , t ) =〈[ h ( x + r , t ) - h ( x , t ) ]2〉-其中 r 0 L , 直线符号表示对所有格点的平均〈, 〉仍是对噪音的统计平均 . 界面局域涨落的标度形式为 : 〈 G ( r , t ) 〉= r 2αf A ( r/ ξ( t ) )f A ( u ) 满足下列标度关系 :u - 2(α- αlo c): u 0 1f A ( u ) 0u - 2α: u 0 1当系统达到饱和以前 ,ξ( t ) - t 1/ z , 当系统达到饱和以后 ,ξ( t ) ～ L , 即 :关联长度被系统尺寸截断. 所以 , 关联长度变为 ξ( t ) ～ L g ( t 1/ z/ L ) , 而 g ( x ) 满足 :x : x 0 1g ( x ) ～const : x 0 1所以得到高度关联函数的标度关系为 :r2αlo c t 2β: r z0 G ( r , t ) ～ r 2αl oc L 2θ: r z 0 L zt 0 L z 0 tt 2β : t 0 r z0 Lzα- αlo c其中 ,θ = α - αlo c 是一个新的指数 , 表征界面的反常生长行为 ,β = θ=是局域生长指数. 由此可zz见 , 通过测量在某中间时刻 ( r z 0 t 0 L z) 的关联函数 , 我们就可以得到界面的局域粗糙指数 αlo c ;根据已知的总粗糙指数 α和动力学指数 z [ 10 ] , 就能分别得到 θ,β 的值.在目前的模拟中 , 我们取系统尺寸 L = 16384 , 外界驱动力在临界区域 F = 0 . 9877 [ 10 ] . 与以前的模拟过程类似[ 9 , 10 ], 我们假定公式 ( 1) 中系数 K = 1 , 时间间隔 Δt = 0 . 01 ( 任意时间单位) 和噪音中 D = 0 . 5 , 高度h ( x , t ) 为任意长度单位 , 利用下面的迭代公式更新每个格点处界面的高度 :∧h ( x , t + Δt ) = h ( x , t ) + Δt { F + η( x , h ) -- 4 h ( x + 1 , t ) + h ( x + 2 , t ) }h ( x - 2 , t ) - 4 h ( x - 1 , t ) + 6 h ( x , t )2其中 , 根据 ( 2 D ) 2=η ,η(x , h ) ∈ [ -3 , 3 , h 是 h ( x , t ) 的整数部分 .∧∧3计算结果和分析图 1 画出了在五个不同时刻的生长界面. 从图中 , 我们可以看出 , 在 t = 100 ( 任意时间单位) 时 , 界面比2 较光滑 , 随着时间的推移 , 如 t = 500 , 1000 , 2000 ( 任意时间单位) 时的形貌所示 , 界面变得越来越粗糙 , 表明界面没有自相似性 , 其生长过程具有反常动力学特性 .图 1 在 t = 100 , 500 , 1000 , 2000 ( 由下到上) 个时间单位时 , 图 2 在 t = 500 , 1000 , 2000 ( 由下到上) 个时间单位时 ,体系中 1000 个格点的界面形貌 ( 任意长度单位) 高度的关联函数〈 G ( r , t ) 〉与 r 的双对数关系曲线 , 虚线的斜率为 1 . 94 .图 2 是关联函数〈 G ( r , t ) 〉和 r 在时间 t = 500 , 1000 , 2000 ( 任意时间单位) 时的双对数曲线. 从图中可以看出 , 当 r 比较小时 , 三条曲线 G ( r , t ) 和 r 均呈现出幂律关系 , 对应于上述标度关系中的条件 : r z 0 t 0 L z, 在同一时刻 , 有 l o g G ( r , t ) ～ 2αlo c lo g r . 我们还观察到 , 在不同时刻 , 三条曲线并未重合 , 说明界面的局域生长行为是时间的函数 , 与图 1 相一致. 图中三个不同时刻的直线部分的斜率约为 1 . 94 , 如图中虚线所示 , 即 2αloc = 1 . 94 ( 2) , 由此得到 αlo c = 0. 97 ( 1) , 接近于 ,与 Mullins 2Herring 模型中的结果一致11 ,13. 根据θ = α - αlo c ,α = 1 . 48 ( 4) 我们得到了反常临界指数θ = 0 . 51 ( 3) ; 再根据β = θ和 z = 1 . 77 ( 5) , z 得到了局域生长指数 β = 0 . 29 ( 2) .3结论通过以前计算系统总的界面涨落 , 我们得到了总粗糙指数 α = 1 . 48 ( 4) , 这是系统表现出反常动力学标度的信号 . 利用等时的高度关联函数 G ( r , t ) , 我们计算了中间时刻 r z 0 t 0 L z的 G ( r , t ) ～ r 关系 , 得到了界面局域的粗糙指数 αlo c = 0 . 97 ( 1) , 接近于 1 . 利用标度关系式 θ = α - αlo c以及β = θ, 我们得到了表征 z界面反常生长行为的临界指数 θ = 0 . 51 ( 3) , 同时也得到了局域生长指数 β = 0 . 29 ( 2) .参考文献 :1K ARDAR M , PAR ISI G , ZHAN G Y - C. Dynamic Scaling of G rowing Int erfaces J . Phys Rev L et t , 1986 , 56 : 889 ; Medina E , H w a T , K ardar M and Zhang Y - C. Burgers equatio n wit h c o rrelat ed noise : Reno r malizatio n 2gro up analysis and applicatio ns to direct ed polymers a nd int erface growt h J . Phys Rev A , 1989 ,39 :3053 . KIM J M , K OS T ERL IZ J M . Growt h in a rest rict ed solid 2o n 2solid mo del J . Phys Rev L et t , 1989 ,62 :2289 ; Amar J G and Family F , Phys. Phase t ransitio n in a rest rict ed solid 2o n 2solid surface 2growt h mo del in 2 + 1 di mensio ns J . Rev L et t , 1990 ,64 :543 ; G uo H , G ro ssmann B , a nd G rant M . K inetics of int erface growt h in driven syst ems J . Phys Rev L et t , 1990 ,64 :1262 .R # CZ Z , PL ISCH KE M . Widt h dist ributio n f o r ( 2 + 1) 2di mensio nal growt h and depo sitio n p rocesses J . Phys Rev E , 1994 ,50 :3530 . SARMA S D , TAMBOR EN EA P I. A new universalit y class f o r kinetic growt h : One 2di mensio nal molecular 2beam epit axy J . 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Surface ro ughening in a hypercube 2st acking mo d el J . Phys Rev L et t , 1990 ,64 :1405 .L δ P EZ J M , RODR I GU EZ M A , CU ERNO R. Superro ughening versus int r insic ano malo us scaling of surfaces J . Phys Rev E , 1997 ,56 : 3993 .L δ P EZ J M . Scaling app r oach to calculat e critical expo nent s in ano m alo u s surface ro ughening J . Phys Rev L et t , 1999 ,83 :4594 . L EE J H , KIM S K , KIM J M . G rowt h wit h surface curvat u re o n quenched pot entials J . Phys Rev E , 2000 ,62 :3299 .RAMSCO J J , L δ P E Z J M , RODR I GU EZ M A. Int erface depinning in t he absence of an ext ernal driving f o rce J . Phys Rev E , 2001 ,64 : 066109 .D IC K MAN R , MU ΣOZ M A. Int erface scaling in t he c o nt act p r ocess J . Phys RevE , 2000 ,62 :7632 .K ARA BACA K T , ZHAO Y - P , WAN G G - C , L U T - M . G rowt h f r o nt ro ughening in silic o n nit ride f il ms by plasma 2enhanced chemical vapo r de po sitio n J . Phys Rev B , 2002 ,66 :075329 .9 10 11 12 13 14 15 16 17Anomal o us Dyna m ic Scal i ng of Super 2R oughen ing in the Q uenc hedMul l i ns 2 H erring G ro wth ModelCH EN Qing 2hu1 ,2, L IU Huan1(1 . Depart ment of Physics , Zhe jiang U n iversit y , H angzho u 310027 , China ; 2 . Cent er f o r St atistical and The o retical Co ndensed Mat t er Physics ,Zhejiang No r mal U n iversit y , J i nhua 321004 , China )Abstract : By measuring equal 2time height 2height co r relati o n f u ncti o n G ( r , t ) fo r inter m ediate times r z0 t 0 L z( L is t h e system size and r 0 L ) , we st u dy t h e ano m al o u s dynamic scaling of super - ro u ghening in t h equenched Mullins - Her ring growt h m o del in a direct numerical integrati o n scheme . The local r o u ghnessexpo nent αlo c = 0 . 97 ( 1) is evaluated , cl o se to t he unit w hich is o btained t heo retically in t he Mullins 2H erri ng growt h m o del . A new e x po nent θ = 0 . 51 ( 3) , characterizing t he ano maly of t he growt h surf ace , and t he l o calgrowt h e x po n ent β = 0 . 29 ( 2) are also ext racted.K ey w ords :growt h m o d el ; ano m al o u s dynamic scaling ; super 2ro u ghness。

凹凸不平三维立体表面生长出“随波起舞”的纳米功能涂层

凹凸不平三维立体表面生长出“随波起舞”的纳米功能涂层材料的表面性质对其功能与应用有着关键影响，利用纳米颗粒分散液在表面构筑功能涂层是改变材料表面性质、提高使用性能的常用方法。

在平整基底上构筑厚度均匀可控的纳米功能涂层已实现规模化制备，对于具有微结构的菲涅尔透镜等基底，由于重力、表面张力、毛细力等因素，导致使用常规方法难以在三维立体表面上制备出随形状的颗粒功能涂层。

中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室赵宁、徐坚研究员，与天津工业大学陈莉和赵义平教授、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所马宏伟研究员通力合作，攻关了微结构表面构筑共形功能涂层这一难题。

研究团队创新性地发展了一种具有普适性的专利技术，采用带电纳米颗粒和带异性电荷的可反应小分子，通过两者的静电和化学键作用，结合不同界面间的电位差，成功地在三维立体表面上制备出随形状而“随波起舞”的纳米颗粒功能涂层，该组装技术简便易行，微结构可精确调控。

该技术已申请了中国发明专利201611033335.9，论文发表在国际著名的学术期刊《先进材料》上(Advanced Materials, /doi/10.1002/adma.201704131/full)。

赵宁、徐坚研究团队深入研究玻璃平整基底筑出厚度均匀可控纳米功能涂层材料，在“十一五”国家863科技计划支持下，在光伏玻璃上开发出可见光透过率>94.0%、耐磨性和持久性优异(铅笔硬度5H，密着性>4B) 的纳米减反射膜制备专利技术，与企业紧密合作，在全球率先开发出基于辊涂工艺路线的纳米减反射膜新技术和年产240万平方米工业装备，相比于当时国际公司的刻蚀、提拉、喷涂等技术，该技术简便高效和生产成本低廉，太阳能组件输出功率提高2.4%，累计发电量提高4.7%。

产品获得了SGS认证，合作企业成功实现商品规模销售。

所开发的辊涂技术路线现已成为光伏电池用减反射玻璃的全球通用技术,广泛应用于光伏电池制造产业，仅中国每年就可多发电3.6GW(总装机77.4GW)，成为具备纳米效应（光学透明）的纳米材料规模应用的典型示范之一。

薄膜生长中的表面动力学_1

第23卷　第1期物　理　学　进　展Vol.23,No.1　2003年3月PRO GRESS IN PHYSICS Mar.,2003文章编号:1000Ο0542(2003)01Ο0001Ο61薄膜生长中的表面动力学(Ⅰ)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0～6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(TST)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Diffusion-Limited Aggregation,DLA)。

然而当有表面活性剂存在时形核的规律完全相反,(Reaction-LimitedAggregation,RLA)。

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Ο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:　O48411 文献标识码:　A0　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cm大小,60年代的固体器件尺寸是mm大小,80年代超大规模集成电路中的器件尺寸是μm大小,预计二十一世纪的分子/电子器件尺寸将是在nm 量级的。

中国科学院固体物理研究所博士论文

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粗糙表面形态对超疏液材料边界条件影响的研究

粗糙表面形态对超疏液材料边界条件影响的研究
李梦;李轶凡
【期刊名称】《中国计量大学学报》
【年(卷),期】2024(35)1
【摘要】目的:为了减小粗糙表面边界流体阻力,探寻超疏液材料的基本物理机制和边界效应。

方法:通过有限元法仿真和原子力显微镜实验研究了不同粗糙表面形态对超疏液材料边界条件的影响。

结果:仿真结果表明,当峰谷粗糙度越小,波峰间距越大时,边界滑移长度越大。

而在实验研究中,当峰谷粗糙度增加时,边界滑移长度减小,但波峰间距与滑移长度无关。

结论:通过改善超疏液材料表面的峰谷粗糙度和波峰间距,可以更有效地降低边界阻力,它强调了在超疏液材料的设计和制造中避免固液界面阻力的重要性。

【总页数】10页(P167-176)
【作者】李梦;李轶凡
【作者单位】中国计量大学计量测试与仪器工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB921
【相关文献】
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