薄膜生长中的表面动力学(Ⅱ)

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《物理学进展》2 3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。     

薄膜生长中的表面动力学(Ⅰ)

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和种动力学表现，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。这一过程可以用经典的扩散子限制集聚理论（Diffusion-Limited Aggregation,DLA)。然而当有表面活性剂存在时形核的规律安全相反，由此提出了一个反应限制集聚理论（Reaction-Limited Aggregation,RLA)，这两个理论目前可以很好的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。     

薄膜生长中的表面动力学(Ⅰ)

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_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 角原子扩散的对称破缺模型。     

非均匀基底上三维薄膜生长的模拟研究

考虑原子在基底表面的扩散、沿岛周界的扩散和不同层间的扩散以及非均匀基底上表面吸附能分布的各向异性，建立起非均匀基底表面上原子扩散和三维薄膜生长的动力学蒙特卡罗模型.模拟得到在不同生长条件下出现的层状生长、岛状生长和混合生长三种生长模式和相应的多层薄膜生长形貌图.通过统计三维薄膜中原子在各层的分布，计算薄膜的表面粗糙度，得到薄膜生长模式与生长条件之间的关系. 关键词： 薄膜生长 非均匀基底 动力学蒙特卡罗模拟     

载能原子沉积Au/Au(100)外延薄膜生长的计算机模拟

在分子动力学研究的基础上建立了载能原子的沉积动力学物理模型,并根据在局域环境下的表面原子扩散模型,通过运动学Monte Carlo方法研究了载能粒子沉积Au/Au(100)薄膜的初期生长过程,探讨了载能粒子沉积对薄膜生长的影响及其随基体温度的变化.通过计算机模拟发现：载能粒子沉积的Au/Au(100)薄膜生长仍然呈现层状生长-三维岛状生长-准二维层状.在薄膜生长初期,载能粒子的作用是促进表面原子的成核,增加基体表面的缺陷;在薄膜的生长阶段,载能粒子通过抑制三维岛的生长速率起着平滑薄膜表面形貌的作用.载能粒 关键词：     

Cu(111)三维表面岛对表面原子扩散影响的分子动力学研究

采用嵌入原子方法的原子间相互作用势，利用分子动力学方法计算了同质外延生长中不同层数的三维Cu(111)表面岛上表面原子扩散激活能，分析了三维表面岛的层数对表面原子交换扩散和跳跃扩散势垒的影响. 研究结果表明，二维Enrilich-Schwoebel(ES)势垒小于三维ES势垒，且三维ES势垒不随表面岛层数的增加而显著变化. 对于侧向表面为(100)的表面岛，表面原子沿〈011〉方向上的扩散行为，随表面岛层数增加而逐渐变化；在表面岛层数达到3层时，扩散路径上的势垒变化趋于稳定，表面原子扩散以下坡扩散为主. 对于侧面取向为(111)的表面岛，当表面岛层数大于3层后，开始呈现上坡扩散的可能. 关键词： 表面原子 扩散 分子动力学模拟     

扫描隧道显微镜针尖调制的薄膜表面的原子扩散

采用原子尺度的模拟方法,探讨了在零偏压下扫描隧道显微镜(STM)针尖调制的金属表面岛上原子运动及岛边的层间质量输运. 研究结果显示STM的移动对岛上及岛边的原子扩散有重要的影响. 针尖与吸附原子的交互作用及岛和基体中强的形状变化影响了岛上吸附原子的跳跃扩散及岛边的跳下扩散和交换扩散过程. 研究发现,通过调节针尖与基体的垂直距离及针尖与吸附原子的水平距离,可以降低岛上吸附原子的跳跃扩散能垒及岛边的跳下扩散和交换扩散能垒,从而实现薄膜由三维生长模式向二维生长模式的转变. 关键词： 扫描隧道显微镜 原子运动 质量输运     

动力学晶格蒙特卡洛方法模拟Cu薄膜生长

利用动力学晶格蒙特卡洛方法模拟了Cu薄膜在Cu(100)面上的三维生长过程。模型中考虑了四个动力学过程:原子沉积、增原子迁移、双原子迁移和台阶边缘原子迁移,各动力学过程发生的概率由多体势函数确定。讨论了基底温度、沉积速率及原子覆盖率对Cu原子迁移、成核和表面岛生长等微观生长机制的影响;获得了Cu薄膜的表面形貌图并计算了表面粗糙度。模拟结果表明,随基底温度升高或沉积速率下降,岛的平均尺寸增大,数目减少,形状更加规则。低温时,Cu薄膜表现为分形的离散生长,高温时,Cu原子迁移能力增强形成密集的岛。Cu薄膜表面粗糙度随着基底温度的升高而迅速减小;当基底温度低于某一临界温度时,表面粗糙度随原子覆盖率或沉积速率的增大而增大;当基底温度超过临界温度时,表面粗糙度随原子覆盖率或沉积速率的变化很小,基本趋于稳定。     

薄膜外延生长的计算机模拟

以Cu膜为例，用Monte-Carlo算法模拟了薄膜生长的随机过程，并提出了更加完善的模型.在合理选择原子间相互作用计算方法的基础上，考虑了原子的吸附、在生长表面的迁移及迁移所引起的近邻原子连带效应、从生长表面的脱附等过程.模拟计算了薄膜的早期成核情况以及表面粗糙度和相对密度.结果表明，随着衬底温度的升高或入射率的降低，沉积在衬底上的原子逐步由离散型分布向聚集状态过渡形成一些岛核，并且逐步由二维岛核向三维岛核过渡.在一定的原子入射率下，存在三个优化温度，成核率最高时的最大成核温度Tn、薄膜的表面粗糙度最低 关键词： Monte-Carlo算法 计算机模拟 薄膜生长     

InSb(111)衬底上外延生长二维拓扑绝缘体锡烯/铋烯的差异性研究

近些年,人们对拓扑材料体系的认知得到了飞速发展.随着量子信息科学与技术成为当下科学研究的热点,具有大能隙高稳定性的低维拓扑材料有从基础研究向应用探索的趋势发展.如何实现高质量、大面积的单晶生长是影响拓扑材料走向实用化的重要一步.本文报道了在具有Sb原子终止面的InSb(111)衬底上利用分子束外延技术生长低维拓扑绝缘体锡烯与铋烯的实验结果.实验中发现,无论是锡烯还是铋烯,起始外延阶段都会在衬底上形成单层的浸润层.由于锡原子之间的相互作用远强于其与衬底的表面结合力,因此浸润层呈岛状生长,晶畴岛与岛合并的过程中边界效应明显,导致薄膜实际上由大量小晶畴拼接而成,畴壁处的缺陷难以避免.而浸润层的晶体学质量又限制了后续锡烯薄膜的外延行为,因此实验发现难以实现高质量且层数准确可控的单晶锡烯薄膜生长.而铋原子与衬底表面的结合能强于原子之间的相互作用,能够在较高温度下实现浸润层的单层层状生长,高质量的浸润层为后续铋烯的生长提供了良好的外延过渡层,因此发现实验中更容易得到大面积的铋烯薄膜.本文实验结果及相关理解对于利用半导体衬底生长低维拓扑晶体薄膜具有指导意义.     

NOVEL FORMATION AND DECAY MECHANISMS OF NANOSTRUCTURES ON THE SURFACE

For decades the research on thin-film growth has attracted considerable attention as these kinds of materials have the potential for a new generation of device application. It is known that the nuclei at the initial stage of the islands are more stable than others and certain atoms are inert while others are active. In this paper, by using kinetic Monte Carlo simulations, we will show that, when a surfactant layer is used to mediate the growth, a counter-intuitive fractal-to-compact island shape transition can be induced by increasing deposition flux or decreasing growth temperature. Specifically, we introduce a reaction-limited aggregation (RLA) theory, where the physical process controlling the island shape transition is the shielding effect of adatoms stuck to the stable islands on the incoming adatoms. Moreover, the origin of a transition from triangular to hexagonal and then to inverted triangular as well as the decay characteristics of three-dimensional islands on the surface and relations of our unique predictions with recent experiments will be discussed. Furthermore, we will present a novel idea to make use of the condensation energy of adatoms to control the island evolution along a special direction.     

Size-dependent detachment-limited decay kinetics of two-dimensional TiN islands on TiN(111)

In situ high-temperature (T(a)=1050-1250 K) scanning tunneling microscopy was used to determine the coarsening and decay kinetics of two-dimensional TiN adatom and vacancy islands on atomically smooth TiN(111) terraces. We report the first observation of an abrupt decrease in decay rates, irrespective of T(a), of adatom islands with areas less than a critical value of 1600 A(2). However, no decay rate transition was observed for vacancy islands. We attribute the size-dependent island decay behavior, which is consistent with detachment-limited kinetics, to anisotropic attachment and detachment barriers.     

Effect of Incident Intensity on Films Growth in Pulsed Laser Deposition

Incident intensity, defined by the amount of particles deposited per pulse, is an important parameter in the film growth process of pulsed laser deposition （PLD）. Different from previous models, we investigate the irreversible and reversible growth processes by using a kinetic Monte Carlo method and find that island density and film morphology strongly depend on pulse intensity. At higher pulse intensities, lots of adatoms instantaneously diffuse on the substrate surface, and then nucleation easily occurs between the moving adatoms resulting in more smaller-size islands. In contrast, at the lower pulse intensities, nucleation event occurs preferentially between the single adatom and existing islands rather than forming new islands, and therefore the average island size becomes larger in this case. Additionally, our results show that substrate temperature plays an important role in film growth. In particular, it can determine the films shape and weaken the effect of pulse intensity on film growth at the lower temperatures by controlling the mobility rate of atoms. Our results can match the related theoretical and experimental results.     

The effect of embedded Pb on Cu diffusion on Pb/Cu(1 1 1) surface alloys

We have used scanning tunneling microscopy and low-energy electron microscopy to measure the thermal decay of two-dimensional Cu, Pb-overlayer, and Pb-Cu alloy islands on Pb-Cu(1 1 1) surface alloys. Decay rates covering 6-7 orders of magnitude are accessible by applying the two techniques to the same system. We find that Cu adatom diffusion across the surface alloy is rate-limiting for the decay of both Pb and Pb-Cu islands on the surface alloy and that this rate decreases monotonically with increasing Pb concentration in the alloy. The decrease is attributed to repulsive interactions between Cu adatoms and embedded Pb atoms in the surface alloy. The measured temperature dependences of island decay rates are consistent with first-principles calculations of the Cu binding and diffusion energies related to this “site-blocking” effect.     

Reversible shape transition of pb islands on Cu(111)

Using low-energy electron microscopy, we have observed a reversible transition in the shape of Pb adatom and vacancy islands on Cu(111). With increasing temperature, circular islands become elongated in one direction. In previous work we have shown that surface stress domain patterns are observed in this system with a characteristic feature size which decreases with increasing temperature. We show that the island shape transition occurs when the ratio of the island size to this characteristic feature size reaches a particular value. The observed critical ratio matches the value expected from stress domains.     

Quantum size effects in adatom island decay

The decay of hexagonal Ag adatom islands on top of larger Ag adatom islands on a Ag(111) surface is followed by a fast-scanning tunneling microscope. Islands do not always show the expected increase in decay rate with decreasing island size. Rather, distinct quantum size effects are observed where the decay rate decreases significantly for islands with diameters of 6, 9.3, 12.6, and 15.6 nm. We show that electron confinement of the surface state electrons is responsible for this enhancement of the detachment barrier for adatoms from the island edge.