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液相基底表面金属薄膜的形成机理和表面粗糙机制的AFM研究

房正浓  
【摘要】: 许多研究结果表明,薄膜的生长机理、表面形貌和微观结构主要依赖于制备方法与基底特性。自从二十世纪九十年代发现液体表面可用作薄膜生长的基底以来,人们已经对沉积在液相基底表面一些金属薄膜的成膜机理、微观结构和物理特性等进行了系统地研究。 本论文采用热蒸发沉积方法在硅油基底表面成功制备了超薄铝(A1)和镍(Ni)金属薄膜系统,利用原子力显微镜(AFM)研究了它们的成膜过程、微观结构以及在纳米尺度范围内的表面动力学标度行为和表面粗糙机理。实验发现:与其它金属薄膜的情况基本类似,沉积在硅油表面的金属铝和镍薄膜的成膜机理均近似符合二阶段生长模型,即沉积原子先凝聚成尺寸为一定大小的准圆形原子团簇,然后经过无规扩散和转动,逐渐形成分枝状凝聚体。随着名义膜厚d的增加,分枝状凝聚体不断生长和相互连接,最后演变成致密的连续薄膜。 我们利用AFM对从不连续到连续的铝和镍薄膜系统进行了进一步的研究。研究表明:铝和镍原子团簇和分形凝聚体均由尺寸为更小的呈现高斯分布的原子颗粒组成;原子颗粒的最概然直径Φm具有101nm量级;在一定的沉积速率下,铝原子颗粒的Φm随着d的增加而没有明显变化,而镍原子颗粒的Φm随着d的增加而减小。研究表明:在沉积过程中,原子颗粒的尺寸变化主要依赖于凝聚核的数密度与沉积速率。在沉积过程中,随着d增加,若凝聚核的数密度增加较快,使得每个原子颗粒可以捕捉到的平均沉积原子数目减少,原子颗粒的Φm随着d增加而减小;若凝聚核的数密度增加与沉积速率同步,使得每个原子颗粒因捕捉新的沉积原子而引起的尺寸变化与核增加而引起的Φm的变化相平衡,结果原子颗粒的Φm随着d增加而没有明显变化。 对Al和Ni薄膜系统的动力学标度行为和表面粗糙机理进行了研究。运用AFM软件的测量功能,测量了两种薄膜在不同名义厚度下的表面方均根粗糙度(wrms)和一维功率频谱密度(1DPSD)。分析wrms随d变化的规律,发现Al薄膜的生长指数β=0.23±0.05,Ni薄膜β=0.32±0.05。分析不同d薄膜样品的1DPSD,发现Al薄膜的粗糙指数则随着d的增加从α≥1变化到1,Ni薄膜α=0.7±0.1。按已有的理论对照分析,我们发现Al薄膜的表面动力学标度行为符合VLS(Villain and Lai-Das-Sarma)方程预测的结果。Al薄膜系统的表面粗糙机制为:当Al膜非常薄时,表面扩散占主导地位,非线性粗糙基本不起作用;而随着薄膜厚度的增加,表面扩散作用与非线性粗糙作用会达到平衡。而Ni薄膜系统,在我们研究的厚度范围内则有动力学多标度行为现象。Ni薄膜系统的生长指数和粗糙指数表明,在其形成过程中的动力学标度行为符合WV(Wolf-Villain)方程和VLS方程共同作用的结果。在Ni薄膜的生长过程中,表面扩散、非线性粗糙和白噪声粗糙起着共同的作用。 本文各章节内容安排如下: 第一章:综述了固相基底表面薄膜的成膜机理、计算机模拟模型和表面粗糙机理的研究现状,并进一步介绍了液相基底表面金属薄膜的成膜机理、微观结构和物理特性等方面的研究。 第二章:研究了液相基底表面铝薄膜的形成过程和微观结构。铝原子分形凝聚体由尺寸更小的原子颗粒组成。铝原子颗粒的最概然直径随名义厚度基本不变。 第三章:研究了液相基底表面镍薄膜的形成过程和微观结构。镍原子分形凝聚体中原子颗粒的最概然直径随名义厚度的增大而迅速减小。 第四章:研究了铝和镍薄膜的表面动力学标度行为规律,分析了与之对应的表面粗糙机理,并揭示了与生长过程对应的生长机理。


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