基于Kuramoto-Sivashinsky模型的薄膜生長動力學(xué)模擬與實驗研究.pdf

1、薄膜材料的生長取決于生長界面的表面動力學(xué)過程,它集中體現(xiàn)在原子在表面上的粘接,擴(kuò)散和蒸發(fā),決定著成核、生長及島之間的相互作用等一系列的表面原子間的相互作用過程.在原子水平上研究薄膜生長中各種復(fù)雜原子過程,對于制備工藝的控制和改進(jìn)有重要意義.借助于計算機(jī)技術(shù)和新的實驗觀察設(shè)備如原子力顯微鏡,掃描隧道顯微鏡,低能電子衍射技術(shù),高能電子衍射技術(shù),人們對這一原子過程已有了初步的了解.本文利用薄膜生長的動力學(xué)理論模型,通過計算機(jī)模擬及實驗的方法得

2、出薄膜生長過程中表面高度演化的特征及表面參量的變化規(guī)律. 第一章首先綜述了薄膜生長階段的研究成果,包括薄膜生長過程、初始成核理論、團(tuán)簇生長、合并、滲析過程的研究,影響薄膜生長因素.介紹了有關(guān)的薄膜測試技術(shù).在此基礎(chǔ)上提出利用薄膜表面特征來研究薄膜生長機(jī)理的想法. 第二章從統(tǒng)計學(xué)角度出發(fā)研究薄膜表面形貌,介紹了描述隨機(jī)表面的一階和二階統(tǒng)計特性,如高度概率分布函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)、高度.高度相關(guān)函數(shù)等來定量描述薄膜表面.介紹了薄膜生

3、長中的分形概念,以及定量描述分形表面參數(shù)－－標(biāo)準(zhǔn)偏差粗糙度(Interface width)、生長指數(shù)(Growth exponent)、粗糙度指數(shù)(Roughness exponent)等.深入討論了已有的薄膜生長動力學(xué)理論模型(Kuramoto-Sivashinsky模型(K-S),Edwatds-Wilkinson模型、Kardar-PaIisi-Zhang模型(KPZ)、Mullms擴(kuò)散模型等)中各個部分對應(yīng)的熱力學(xué)及動力學(xué)過

4、程,并在此基礎(chǔ)上研究薄膜的生長機(jī)理. 第三章在K-S生長模型的基礎(chǔ)上,編寫了薄膜生長程序,借助于數(shù)值微分方法模擬了不同參數(shù)條件下K-S模型表面演化過程,定性研究了模型中參數(shù)對表面形貌特征的影響. 第四章研究了激光濺射沉積工藝下制備GaN薄膜的生長,利用原子力顯微鏡(AFM)測量其表面形貌.綜合AFM測量數(shù)據(jù)和分形概念,對薄膜表面作出了定量描述,并求出粗糙度指數(shù)、水平相關(guān)長度、標(biāo)準(zhǔn)偏差粗糙度等參數(shù).結(jié)合已有的薄膜生長理論模型,