力和扩散机理下外延形貌的演化分析

本文提出了一个新的基于扩散界面的相场模型来描述外延生长中岛的形核、生长及熟化过程. 该模型同时考虑了弹性场、表面能、沉积、扩散、解吸和能量势垒等热力学及动力学过程对表面纳米形貌的影响. 采用经典的BCF模型来描述生长中的扩散形核过程, 而采用一个新的包含弹性应变能的自由能函数, 通过变分得到一个描述多层岛生长的相场方程, 该方法可以有效地描述外延生长中复杂的外延形貌. 采用有限差分格式对非线性耦合方程组进行求解. 数值结果显示, 该模型可以真实地再现外延生长中多层岛结构(即山丘状形貌)的演化过程, 模拟结果与已有实验结果一致. 同时模拟了生长过程中随外延形貌演化而形成的复杂生长应力, 研究表明, 在生长过程中, 岛中存在着复杂的应力分布, 且在岛边界处应力达到局部最大, 这与实验结果定性一致. 此外, 本文的重要发现是, 外延生长中的应力演化明显地影响原子的扩散过程, 当应力存在时, 外延结构变化较无弹性场时变快. 该项研究对理解外延生长中各物理机理的协同作用有重要的指导意义.     

异质外延生长中应变对圆形岛形貌稳定性的影响

本文利用BCF模型研究了应变对圆形岛形貌稳定性的影响. 通过Gibbs-Thomson关系将应变引入该模型中,讨论了在失配应变、外场应变以及沉积流量、线张力和远场流量等因素共同作用下圆形岛的稳定性,并得到了相应的扰动增长率以及临界沉积流量. 研究结果表明：较大的失配应变和远场流量都能促进岛在生长过程中失稳,而线张力可以抑制岛的失稳. 随着岛的生长,岛的半径越大越趋于稳定,当岛生长到临界半径后,临界沉积流量随着失配应变的增大而增大. 在外场应变存在的情况下,外场负应变对岛的生长起稳定作用并使临界沉积流量减小;相反,正应变促进岛的失稳,且使临界流量增大. 这些结论对在薄膜生长过程中控制原子岛的形貌及其稳定性提供了重要的理论依据. 关键词： 形貌稳定性 失配应变 外场应变 圆形岛