《光学薄膜的形成》PPT课件

薄膜的形成——核形成与生长
表面相的概念 成核：新相生成的初期阶段，包括：核的形成与成核速率问题。
临界核：从相变热力学观点看，新相核（原子团）存在一 个临界尺寸，称为临界核。比临界核尺寸大的核原子团是 稳定的；比临界核尺寸小的原子是不稳定的。
薄膜形成过程： 气相
小于临界核尺 寸的原子团 （表面相）
平均表面扩散距离 x （设ao 为相邻吸附位置间距）
x 4Da
D ao2 / 4 D
x
4D a ao
a D
ao exp Ed
ED
2kT
薄膜的形成——凝结过程
薄膜制备时，要 达到完全凝结的 工艺设计原则：
• 提高淀积速率
• 降低基片温度
• 选用吸附能大 的基片
吸附过程 基本概念 表面悬挂键：不饱和的化学键。 吸附：入射到基片表面的气相原子被悬挂键吸引， 束缚在表面的现象。 物理吸附：由范德华力引起的吸附。 化学吸附：由化学键结合力引起的吸附。
薄膜的形成——凝结过程
入射原子与基片作用 与基片原子进行能量交换被吸附； 能量较大的吸附原子解吸附（二次蒸发）； 不与基片原子进行能量交换，被基片表面反射。 吸附过程的能量关系
原子聚集理论（统计理论） 问题提出 热力学界面能理论的两个假设：一是认为核尺寸变化 时，其形状不变；二是认为核的表面自由能和体积自由能 与块体材料相同。
显然，此假设只适用于比较大的核（大于100个以上的原子）。
理论计算： r* 0.5 nm
实际情况：基片温度低、过饱和度高时，临界核只有 几个原子。
稳定核大小不一，所含原子数目各有不同；其中 必然有最小稳定核。
比最小稳定核再小一点，或者说再少一个原子， 原子团就变为不稳定，这种刚刚偏离稳定核的原子团 成为临界核。
薄膜的形成——核形成与生长
成核速率 成核速率是形成稳定核的速率或临界核长大的速率；定
义为单位时间内在基片表面单位面积上形成稳定核的数量。
Qp物理吸附热 Qc化学吸附热 Ed激活能（解吸能）
薄膜的形成——凝结过程
薄膜的形成——凝结过程
入射原子的滞留时间 a
a
o
exp

Ed kT

式中，
o是单层原子的振动周期
o
1

。
薄膜的形成——凝结过程
表面扩散过程
吸附原子的表面扩散是凝结的必要条件
原子扩散——形成原子对——凝聚
表面扩散势垒 表面扩散能
吸附能
ED


1 6
~
1 2

Ed
薄膜的形成——凝结过程
平均表面扩散时间 D
吸附原子在吸附位置上的停留时间称为平均表面扩散
时间，用 D 表示。
D
o
eHale Waihona Puke p ED kT
式中， o 是表面原子沿表面水平方向振动周期，o o
类液相
大于临界核尺 寸的原子团 （固相）
薄膜的形成——核形成与生长
临界核热力学描述 在液体中形成固相核，总自由能变化为：
G GV GS Gv V S
体积自由能
表面自由能
固相体积
单位体积自由能
上式就是相变热力学的基本 公式。某一系统的自由能， 标志了系统对外做功的能力， 自由能越大，对外做功本领 越强，系统越不稳定。
宏观表面能计算、表面能概念、结构
薄膜的形成——核形成与生长
为了克服理论上的困难，1924年Frenkel提出了成核理 论原子模型，并不断发展。
原子聚集理论的基本内容 原子聚集理论将核（原子团）看作一个大分子，用其内
部原子之间的结合能或与基片表面原子之间的结合能代替热 力学理论中的自由能。
临界核 当临界核尺寸减小时，结合能出现不连续性、以及几何
假设在基片表面上 形成的核是球帽形
表体积 单位表面自由能
薄膜的形成——核形成与生长
临界核、稳定核与薄膜形成 a. 在一定条件下系统达到平衡，小原子团的数目不变。在 基片上不能形成稳定的薄膜（淀积一停止，它们将消失）。
b. 要形成稳定薄膜，必须在薄膜表面形成稳定核，即 稳定核一旦产生，一般来说就不在分解。
Ti TT
Ti Ts
式中 Ti 、TT 和 Ts 分别表示入射气相原子、再蒸发原子
和基体温度。
1 1 0
完全适应 不完全适应 完全不适应
吸附原子在表面停留 期间，若和基片能量 交换充分到达热平衡
TT＝TS， 1
薄膜的形成——凝结过程
薄膜的形成——核形成与生长
薄膜的形成
不同制备方法，其薄膜的形成机制不同，但存在共性问题。 本章以真空蒸发制备薄膜为例，讨论薄膜形成问题。
★ 凝结过程 ★ 核形成与生长 ★ 薄膜形成过程与生长模式 ★ 薄膜形成过程的计算机模拟（阅读）
薄膜的形成——凝结过程
★ 凝结过程
薄膜形成分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形 成与结合生长过程。
形状不能保持不变。
无法给出临界核大小的解析式。
临界核长大有两个途径：一是入射的气相原子直接与临 界核碰撞结合；另一个是吸附原子在基片表面上扩散迁移时 的碰撞结合。
成核速率 I 与临界核面密度 ni* 、临界核捕获范围 A和 吸附原子向临界核扩散的总速率 V 有关。
I Z ni* AV
式中，Z 是Zeldovich修正系数。
薄膜的形成——核形成与生长
核形成与生长的物理过程描述
薄膜的形成——核形成与生长
核形成理论 解决问题：核的形成条件和生长速率 成核理论不断发展，出现了若干种成核理论。归纳起来，基 本上是两种理论：
a. 热力学界面能理论（毛细管现象理论、微滴理论）； b. 原子聚集理论（统计理论）
热力学界面能理论
认为薄膜形成过程是由气相到吸附相、再到固相的相变 过程，其中从吸附相到固相的转变是在基片表面上进行的。
薄膜的形成——凝结过程
凝结过程的表征
凝结系数c
单位时间内，完全凝结的气相原子数与入射到基 片表面上的总原子数之比。
粘附系数 s
单位时间内，当基片表面上已经存在着凝结原子 时，再凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原 子数之比。
薄膜的形成——凝结过程
热适应系数
表征入射气相（或分子）与基体表面碰撞时相互交换 能量的程度的物理量成为热适应系数。