沉积速率和生长停顿对InAs/GaAs量子点超晶格生长影响的综合分析

采用动力学蒙特卡罗模型模拟了沉积速率和生长停顿对GaAs衬底中垂直耦合InAs 量子点超晶格生长早期阶段的影响.通过对生长表面形态、岛平均尺寸、岛尺寸分布及其标准差等方面的研究,发现综合控制沉积速率和生长停顿时间能够得到大小均匀、排列有序的岛阵列.这对后续量子点超晶格生长过程中量子点的定位有重要影响. 关键词： 动力学蒙特卡罗模拟 量子点超晶格 外延生长     

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     

不同晶格基底上薄膜生长的Monte Carlo模拟研究

利用Monte Carlo（MC）方法模拟研究了四方和六方晶格基底上薄膜生长的初始阶段岛的形貌和岛的尺寸与基底温度和入射粒子剩余能量之间的关系. 模型中考虑了粒子的沉积、吸附粒子的扩散和蒸发等过程. 结果表明,基底晶格结构对薄膜生长具有明显影响. 当基底温度为300K、入射粒子剩余能量为0时,四方晶格基底上薄膜的生长已经呈现明显的凝聚生长,随着基底温度或入射粒子剩余能量的增加,岛的数目变少、岛的平均尺寸变大. 对于六方晶格基底,当入射粒子剩余能量为0、温度从300K升高到350K时,岛的形貌从分散生长向分形生长转变;当基底温度为300K、入射粒子剩余射能量从0上升到0.05eV时,岛由分散生长向分形生长转变.     

蓝宝石衬底上GaN/AlxGa1-xN超晶格插入层对AlxGa1-xN外延薄膜应变及缺陷密度的影响

室温300K下,由于Al_xGa_1-xN的带隙宽度可以从GaN的3.42eV到AlN的6.2eV之间变化,所以Al_xGa_1-xN是紫外光探测器和深紫外LED所必需的外延材料.高质量高铝组分Al_xGa_1-xN材料生长的一大困难就是Al_xGa_1-xN与常用的蓝宝石衬底之间大的晶格失配和热失配.因而采用MOCVD在GaN/蓝宝石上生长的Al_xGa_1-xN薄膜由于受张应力作用非常容易发生龟裂.GaN/Al_xGa_1-xN超晶格插入层技术是释放应力和减少Al_xGa_1-xN薄膜中缺陷的有效方法.研究了GaN/Al_xGa_1-xN超晶格插入层对GaN/蓝宝石上Al_xGa_1-xN外延薄膜应变状态和缺陷密度的影响.通过拉曼散射探测声子频率从而得到材料中的残余应力是一种简便常用的方法,Al_xGa_1-xN外延薄膜的应变状态可通过拉曼光谱测量得到.Al_xGa_1-xN外延薄膜的缺陷密度通过测量X射线衍射得到.对于具有相同阱垒厚度的超晶格,例如4nm/4nm,5nm/5nm,8nm/8nm的GaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格,研究发现随着超晶格周期厚度的增加Al_xGa_1-xN外延薄膜缺陷密度降低,Al_xGa_1-xN外延薄膜处于张应变状态,且5nm/5nmGaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格插入层Al_xGa_1-xN外延薄膜的张应变最小.在保持5nm阱宽不变的情况下,将垒宽增大到8nm,即十个周期的5nm/8nmGaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格插入层使Al_xGa_1-xN外延层应变状态由张应变变为压应变.由X射线衍射结果计算了Al_xGa_1-xN外延薄膜的刃型位错和螺型位错密度,结果表明超晶格插入层对螺型位错和刃型位错都有一定的抑制效果.透射电镜图像表明超晶格插入层使位错发生合并、转向或是使位错终止,且5nm/8nmGaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格插入层导致Al_xGa_1-xN外延薄膜中的刃型位错倾斜30°左右,释放一部分压应变.     

基底显微结构对薄膜生长影响的Monte Carlo模拟研究

利用Monte Carlo方法研究了基底显微结构对薄膜生长的影响. 对不同显微结构基底上薄膜生长的初始阶段岛的形貌和尺寸与薄膜覆盖度和入射粒子沉积速率之间的关系进行了模拟和分析. 模型中考虑了粒子沉积、吸附粒子扩散和蒸发等过程. 结果表明,基底显微结构对薄膜生长具有明显影响. 当沉积温度为300K、沉积速率为0.005ML/s（Monolayer/second,简称ML/s）、覆盖度为0.05ML时,四方基底上薄膜生长呈现凝聚生长. 随着覆盖度增加,岛的尺寸变大,岛的数目减少. 而对于六方基底,当覆盖度从0.05ML变化到0.25ML时,薄膜生长经历了一个从分散生长过渡到分形生长的过程. 无论是四方还是六方基底,随着沉积速率的增加,岛的形貌由少数聚集型岛核分布状态向众多各自独立的离散型岛核分布状态过渡.     

不同晶格基底上薄膜生长的Monte Carlo模拟研究

利用Monte Carlo(MC)方法模拟研究了四方和六方晶格基底上薄膜生长的初始阶段岛的形貌和岛的尺寸与基底温度和入射粒子剩余能量之间的关系.模型中考虑了粒子的沉积、吸附粒子的扩散和蒸发等过程.结果表明,基底晶格结构对薄膜生长具有明显影响.当基底温度为300K、入射粒子剩余能量为0时,四方晶格基底上薄膜的生长已经呈现明显的凝聚生长,随着基底温度或入射粒子剩余能量的增加,岛的数目变少、岛的平均尺寸变大.对于六方晶格基底,当入射粒子剩余能量为0、温度从300 K升高到350 K时,岛的形貌从分散生长向分形生长转变;当基底温度为300 K、入射粒子剩余射能量从0上升到0.05 eV时,岛由分散生长向分形生长转变.     

磁控溅射ZnO薄膜的成核机制及表面形貌演化动力学研究

利用原子力显微镜分析了ZnO薄膜在具有本征氧化层的Si(100)和Si(111)基片上的表面形貌 随沉积时间的演化. 通过对薄膜生长形貌的动力学标度表征，研究了射频反应磁控溅射条件 下，ZnO薄膜的成核过程及生长动力学行为. 研究发现，ZnO在基片表面的成核过程可分为初 期成核阶段、低速率成核阶段和二次成核阶段. 对于Si(100)基片，三个成核阶段的生长指 数分别为β₁=1.04，β₂=0.25±0.01，β₃=0.74；对 于Si(11 关键词： ZnO薄膜 磁控溅射 生长动力学 成核机制     

异质外延生长钙钛矿结构氧化物薄膜

影响直接外延生长氧化物薄膜的因素有很多,最主要的是保证氧化物薄膜的正确成相和在单晶衬底上成核．直接外延生长时,衬底温度影响到薄膜的成相．衬底温度还影响薄膜的生长动力学,并因此影响薄膜的外延生长取向．由于薄膜是首先在衬底表面成核、成相并生长的,因此衬底材料晶格的影响是不容忽视的．衬底材料（或异质外延材料）与薄膜的相互作用是影响外延生长的最直接因素,而晶格常数失配会造成薄膜样品中存在应力并影响样品性质．利用脉冲激光淀积法,我们成功地外延生长了ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７超导薄膜、Ｓｒ０．５Ｂａ０．５ＴｉＯ３铁电介电薄膜、Ｌａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３铁磁巨磁电阻薄膜、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３导电薄膜等多种具有钙钛矿结构的氧化物功能薄膜．以这些钙钛矿结构氧化物薄膜的外延生长为例,本文讨论影响氧化物薄膜异质外延生长的因素     

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     

不同晶化工艺对非晶PZT纳米薄膜形核取向生长机理的影响

射频磁控溅射法室温下在Pt/Ti/SiO2/Si上制备非晶Pb(Zr048Ti052)O3薄膜，非晶PZT薄膜分别经常规炉退火(CFA)处理和快速热退火(RTA)处理晶化为（100），（111）不同择优取向的多晶薄膜. 采用x射线衍射测定了薄膜相组分、择优取向度；用原子力显微镜和压电响应力显微镜观察了薄膜表面形貌，以及对应区域由自发极化形成的铁电畴像，观察了不同取向薄膜的电畴分布特征. 结果表明，RTA晶化过程钙钛矿结构PZT结晶主要以PZT/Pt界面处的PtPb化合物为成核点异质形核并类似外延的结晶生长，沿界面结晶速率远大于垂直膜面结晶速率，而CFA晶化样品成核发生在膜内杂质缺陷处，以同质成核为主. 不同的成核机理导致了不同晶面择优取向生长. 关键词： PZT薄膜 结晶 形核 力显微技术     

Au/Cu(001)异质外延岛演化的分子动力学研究

利用分子动力学弛豫方法模拟了Au/Cu(001)异质外延生长初期Au异质外延岛的形貌演化，分析了Au外延岛演化过程中的局域应力及与基体结合能随表面岛尺寸的变化. 研究结果表明：当异质外延岛小于7×7时，外延岛原子分布呈现赝Cu点阵形貌；当外延岛达到8×8后，外延岛内开始出现失配位错，失配位错数量随外延岛尺寸的增加而增加. 局域压力分析指出，外延岛上原子之间的近邻环境不同导致了所受应力的差异，而外延岛的形变则是由外延岛原子的应力分布所决定. 研究还发现，失配位错的产生导致错位原子与基体原子之间的结合强度减弱，但相对增加了非错位原子与基体原子之间的结合强度. 关键词： 异质外延 表面形貌 局域压力 分子动力学模拟     

EFFECT OF SMALL CLUSTER DIFFUSION DURING TWO-DIMENSIONAL THIN FILM GROWTH ON METAL SURFACE

The diffusion of small clusters such as dimers and trimers on metal surface and the growth of two-dimensional thin films are studied by Monte Carlo simulation, using realistic growth model and physical parameters. It is found that small cluster diffusion plays an important role in the process of thin film growth at not very low temperature. It affects not only the island density and the size of islands but also the critical value of saturation occurring during growth of thin films. The effect of small cluster diffusion depends on both the size of critical nucleus and the growth temperature. The simulation results also show that the larger the cluster allowed to diffuse, the easier the saturation that takes place, giving rise to the lower critical coverage of saturation occurring. It is suggested that the effect of small cluster diffusion should be included in establishing the growth models of thin films.     

超薄膜多中心生长过程的计算机模拟

利用计算机模拟了不同的允许扩散步数下超薄膜的多中心分形生长和团状生长现象,研究了成核及长大的动力学过程．分形生长时分形维数随团簇大小的增大而增加．分形生长和团状生长时成核率随扩散步数的增大而减小,随时间的增大而急速下降．团簇长大过程可用团簇大小S和生长时间t-t₀的幂函数(t-t₀)^κ描述．由于团簇间的分流作用,生长指数κ比经典理论值1略小,并且存在着非线性现象,即长得较大的团簇的生长指数Κ也较大. 关键词：     

Initial structure and growth dynamics of YBa(2)Cu(3)O(7-delta) during pulsed laser deposition

The initial heteroepitaxial growth of YBa{2}Cu{3}O{7-delta} films on SrTiO3(001) substrates during pulsed laser deposition shows a growth-mode transition and a change of growth unit. The growth starts with two blocks, each two-thirds the size of the complete unit cell. The first of these blocks grows in a step-flow fashion, whereas the second grows in the layer-by-layer mode. Subsequent deposition occurs layer-by-layer of complete unit cells. These results suggest that the surface diffusion in the heteroepitaxial case is strongly influenced by the competition with formation energies, which is important for the fabrication of heteroepitaxial devices on the unit cell scale.     

Kinetic Monte Carlo simulations of heteroepitaxial growth with an atomistic model of elasticity

We have implemented Kinetic Monte Carlo (KMC) simulations of growth of heteroepitaxial thin films. A simple cubic Solid-on-Solid (SOS) model is used to describe the atomic configurations and nearest neighbor bonds are used to describe the energetics. Elastic effects are modeled using harmonic springs between atoms displaced from their lattice positions. The misfit strain is a consequence of different equilibrium spring lengths for the substrate and film. The consistency of this elastic model with continuum theories for strained surfaces has been shown by performing elastic energy calculations for various morphologies. KMC simulations for submonolayer deposition show scaling behavior in the island size distribution. The resulting island shapes are predominantly square and do not show any shape transitions in the physically relevant range of conditions. This method gives a detailed understanding of elastic interactions and their interplay with surface diffusion in heteroepitaxial systems.     

Metallic thin film growth on vicinal Cu substrates

In this study we have investigated the heteroepitaxial growth of nickel and silver on vicinal copper substrates. Nickel was deposited onto a (211) substrate. The low lattice mismatch between copper and nickel of 2.5% enables epitaxial bidimensional growth in the substrate's orientation, where the strain can be accommodated in the overlaying film. On the contrary, copper and silver have a much larger mismatch of about 13% which usually cannot be accommodated in the film. In general, Ag is known to form alloys or to induce faceting on a stepped Cu surfaces. Here, silver was deposited onto a Cu(311) facet covered with a monatomic layer of NaCl. For the first time we show that Ag can be grown as ultrathin film in the substrates's orientation on a stepped surface using NaCl as a novel surfactant material.     

温度对ZnO/Al2O3(0001)界面的吸附、扩散及生长初期模式的影响

构建了一个ZnO沉积在α-Al₂O₃(0001)表面生长初期的模型，采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法进行了动力学模拟.发现在400，600和800℃的条件下界面原子有不同的扩散能力，因此温度对ZnO/α-Al₂O₃(0001)表面界面结构以及ZnO薄膜生长初期模式有决定性的影响.在整个ZnO吸附生长过程中，O原子的扩散系数大于Zn原子的扩散系数，O原子的层间扩散对薄膜的均匀生长起着重要作用.进一步从理论计算上证实了ZnO在蓝宝石(0001)上两种生长模式的存在，400℃左右生长模式主要是Zn螺旋扭曲生长，具有Zn六角平面对称特征，且有利于Zn原子位于最外表面.600℃左右呈现为比较规则的层状生长，且有利于O原子位于最外表面.模拟观察到在ZnO薄膜临近Al₂O₃基片表面处，Zn的空位缺陷明显多于O的空位缺陷. 关键词： 扩散 薄膜生长 2O₃(0001)')" href="#">α-Al₂O₃(0001) ZnO     

Diffusion Dynamics of Cux Cluster on Cu(111) Surface

利用分子动力学与修正分析型嵌入原子模型研究了从200K至800 K范围内,Cux (1·x·8)小团簇在(111)面的自扩散动力学行为,计算了Cu小团簇的扩散系数与激活能. 计算结果表明,密排的Cu7团簇的激活能最高,其扩散前因子比单个吸附原子的高3个数量级,这与其他类似金属的实验结果一致. 另外,还定量讨论了薄膜生长与团簇扩散的关系.     

过渡金属硫族化合物柔性基底体系的模型与应用

柔性基底体系是晶体外延生长领域于20世纪90年代提出的概念.其核心思想是利用超薄的基底,使其在外延生长时能同时与外延晶膜发生应变,以抵消二者之间的晶格失配,从而减少外延晶膜中的位错,提高晶膜的质量.但是人工制备性能优良的超薄基底往往需要较为复杂的工艺.另一方面,过渡金属硫族化合物由于其层状结构特性和层间较弱的范德瓦耳斯相互作用,是天然的柔性基底.本文介绍近几年来新发展的过渡金属硫族化合物柔性基底体系的模型及应用.以Au-MoS₂作为柔性基底外延生长的原型,结合密度泛函理论、线性弹性理论以及位错理论构建模型,并根据计算结果解释了早先利用透射电子显微镜观测到的Au薄膜在MoS₂上外延生长的相关实验现象.此外,本文还介绍了受到该理论模型启发的相关实验工作,特别是利用Au薄膜分离大面积、单层、高质量MoS₂的技术.最后,讨论了在该领域内值得关注和进一步探索的理论问题.     

Combined effects of substrate compliance and film compositional grading on strain relaxation in layer-by-layer semiconductor heteroepitaxy: the case of InAs/In0.50Ga0.50As/GaAs(1 1 1)A

A systematic theoretical analysis is presented of the combined effects of substrate compliance and film compositional grading on the relaxation of strain due to lattice mismatch in layer-by-layer semiconductor heteroepitaxy. The analysis is based on a combination of continuum elasticity theory and a novel atomistic simulation approach for modeling structural and compositional relaxation in layer-by-layer heteroepitaxial systems. Results are presented for InAs epitaxy on GaAs(1 1 1)A compliant substrates with some marginal film compositional grading that consists of one monolayer of In_0.50Ga_0.50As grown on the substrate surface prior to InAs growth. A parametric study is carried out over a wide range of substrate thicknesses. Interfacial stability with respect to misfit dislocation formation, the dependence on substrate thickness of a thermodynamic critical film thickness, and the completion of the coherent-to-semicoherent interfacial transition are examined in detail. In addition, the structural characteristics and compositional distribution of the corresponding semicoherent interfaces, the associated strain fields, as well as the film surface morphological characteristics are analyzed. Most importantly, the role of segregation at defects of a semicoherent interface in the thermodynamics of layer-by-layer heteroepitaxial growth is demonstrated. Our study shows that systematic combination of the mechanical behavior of thin compliant substrates with grading of the epitaxial film composition provides a very promising engineering strategy for strain relaxation in heteroepitaxy.