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动力学作用下外延薄膜生长的定量相场研究

【摘要】:薄膜外延是多种原子运动机制耦合作用下的复杂非平衡生长过程,它涉及到形核、原子表面扩散、台阶流动、Ehrlich-Schwoebel势垒、台阶边缘扩散、吸附原子相互作用等诸多平衡与非平衡热力学与生长动力学问题。薄膜外延生长过程的研究和生长机制的探索,不仅能够促进固体物理和统计物理等传统学科及其交叉领域的研究进展,同时也可以推动低维材料物理、自旋电子学等前沿学科领域的重点发现和突破。然而,描述薄膜生长的控制方程涉及到多尺度、多物理场耦合的非线性问题的处理,只有在极少数简单条件下或是各种人为简化条件下才能找到解析解,这极大限制了理论应用的广度和深度。相场法作为一种近几年发展起来的多尺度模拟技术,由于能够直观地再现复杂界面处微观原子形核与沉积过程,为探索薄膜生长动力学机制与薄膜制备工艺的发展提供了技术支持与理论解释,因此成为研究薄膜初期生长机制,准平衡与非平衡动力学作用下外延生长过程、表面形貌及控制的重要手段。本论文采用定量相场模型对形核动力学、Ehrlich-Schwoebel势垒作用、原子附着运动等非平衡动力学作用下的外延生长进行数值模拟,通过研究相场参量与薄膜生长机制、微观动力学过程的定量联系,旨在建立一种能够在微观上精确对照尖锐界面,宏观上准确预测外延表面生长形貌特征的多尺度模拟方法,为动力学作用参数定量调控外延生长过程及微观原子运动机理提供新的思路。主要内容包括:1.将形核和Ehrlich-Schwoebel势垒动力学作用引入定量相场模型,通过渐进性分析的方法研究了相场模型在薄界面近似下的稳态解。结果表明,形核项将会改变界面原子平衡密度,附加非本征的原子密度流,非对称的迁移率函数诱导台阶上下两侧产生不合理的直接交换运动,使得相场模型难以对动力学作用下的界面原子运动进行定量描述。通过渐进性分析发现,通过对相场方程中的特征空间与时间参量进行定量地修正,可以有效地补偿非本征的界面效应,从而使相场模型能够实现对形核与Ehrlich-Schwoebel势垒作用的定量描述,进而建立非平衡外延生长中台阶界面的生长动力学特征与模拟微观参量的定量联系。2.将迁移率函数引入定量相场模型,实现对不同程度Ehrlich-Schwoebel势垒作用的定量研究。收敛性分析一维单侧台阶流动模型,发现初始的迁移率函数导致界面原子密度在较大的台阶宽度下产生明显的数值非稳。通过引入修正的迁移率函数可以成功地弥补界面上的密度偏差,从而使相场模型能够在较大的空间与时间尺度上精确地反映Ehrlich-Schwoebel势垒作用下的台阶流动过程。通过修正模型研究了Ehrlich-Schwoebel势垒对多层wedding-cake生长,单层岛的生长与融并过程,以及螺旋生长的作用机制和影响趋势。结果表明,Ehrlich-Schwoebel势垒通过抑制上台阶边缘原子的扩散提高上层原子的聚集,使外延表面粗糙度增加,并且推动外延生长模式由层状向着岛状转变。在表面吸附较大时Ehrlich-Schwoebel势垒表现出更加明显的动力学生长特征。3.定量相场模拟研究了立方钙钛矿薄膜亚单层岛的生长过程与形核机制。将形核动力学项引入定量相场方程,通过寻求相场模拟形核过程与经典薄膜形核理论的一致性关系,实现动力学作用对亚单层生长模式中形核机制的定量调控。结果表明,亚单层形核机制由初始临界尺寸与形核动力学系数共同决定,亚单层岛密度和标度指数随临界尺寸、形核动力学系数的改变而产生明显的非线性变化趋势。此外,界面附着原子运动能够有效地调控界面局域平衡态,改变亚单层岛密度、临界尺寸及其标度指数。通过对附着动力学作用的研究发现,定量的动力学系数有望于削弱形核项产生的非本征密度流,从而最终得到与经典理论描述一致的形核过程。4.将六方小面相各向异性引入相场方程,研究了各向异性强度对螺旋生长形貌以及台阶生长速率的影响作用,发现各向异性通过改变界面生长尖端的曲率半径,调制局域平衡态影响螺旋间距。研究了表面吸附率对小面相螺旋生长的作用机制,发现吸附率的增加有利于螺旋台阶界面的推进,导致了稳态螺旋间距的降低;通过分析螺旋间距随台阶宽度的变化趋势,发现增强的表面吸附和各向异性强度降低了螺旋间距的收敛性;通过探讨界面附着动力学作用,发现界面动力学系数通过改变稳态螺旋间距与特征指数因子调控螺旋生长的动力学机制,小面相螺旋生长与各向同性相比表现出较低的附着动力学系数依赖性.

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