力和擴(kuò)散機(jī)制下外延形貌的演化分析

1、天津大學(xué)碩士學(xué)位論文力和擴(kuò)散機(jī)制下外延形貌的演化分析力和擴(kuò)散機(jī)制下外延形貌的演化分析PAnalysisofEpitaxialMphologyEvolutionunderStressDiffusionMechanisms學(xué)科專業(yè)：固體力學(xué)研究生：陳振飛指導(dǎo)教師：馮露副教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二零一四年十二月萬方數(shù)據(jù)摘要納米材料的宏觀性能取決于其微觀結(jié)構(gòu)，而外延薄膜材料的制備總的來說是一個表面動力學(xué)過程。因此，對表面上原子的擴(kuò)散、成核和生長

2、，原子島間的兼并、失穩(wěn)、粗化，臺階流動及失穩(wěn)等一系列過程的研究具有非常重要的意義。本文提出一個新的基于擴(kuò)散界面的相場模型用以描述外延生長過程中島的形核、生長及熟化過程。該模型同時考慮了生長過程中彈性場、表面能、質(zhì)量沉積、擴(kuò)散、解吸和能量勢壘等熱力學(xué)及動力學(xué)過程對表面納米形貌的影響。采用經(jīng)典的BCF模型來描述生長過程中的擴(kuò)散形核過程，而采用一個新的包含彈性應(yīng)變能的自由能函數(shù)，通過變分得到一個可以描述多層島生長動態(tài)邊界的相場方程。采用有限差

3、分格式對非線性耦合方程組進(jìn)行求解，并編制相應(yīng)的計算程序，通過可視化處理再現(xiàn)了外延生長的真實形貌。通過系統(tǒng)的數(shù)值預(yù)測真實再現(xiàn)了原子島的形貌，并定量地對表面粗糙度的演化做了詳細(xì)的刻畫。通過修正島邊界PFTZ的活原子擴(kuò)散系數(shù)D實現(xiàn)島邊界上下臺階運動的不對稱性，來模擬SE勢壘阻礙活原子的下臺階運動，獲得了多層區(qū)島的形貌演化，再現(xiàn)了與實驗圖片一致的外延形貌。通過高度高度相關(guān)函數(shù)的引入，計算了結(jié)構(gòu)表面的局部粗糙度指數(shù)和粗糙度隨覆蓋率的變化，與已經(jīng)獲

4、得的實驗和理論分析結(jié)果一致。采用彈性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了應(yīng)力分析，結(jié)果表明，在形貌演化中，伴隨著產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力場，在島邊界處存在著高應(yīng)力區(qū)。外延生長中的應(yīng)力演化明顯的影響原子的擴(kuò)散過程，當(dāng)應(yīng)力存在時，外延結(jié)構(gòu)變化較無彈性場時變快。另外還利用相場模型模擬了鄰晶面上的臺階生長以及退火過程，獲得了與實驗一致的臺階演化形貌，并對臺階失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行了機(jī)理性的探究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：臺階的彎曲是在吉布斯湯姆遜效應(yīng)和彎曲勢壘的相互競爭作用下動態(tài)演化，在沉積過程中，K