Известно, что свойства тонкой пленки могут сильно отличаться от свойств массивного материала, особенно если толщина пленки очень мала. Эти «аномальные» свойства обусловлены спецификой структуры пленки, которая, в свою очередь, обусловлена процессами, происходящими во время образования пленки. Тонкую пленку можно получить с помощью таких простых процессов, как ковка или прокатка массивного куска материала. Однако чаще тонкие пленки получают путем осаждения материала на подложку, атом за атомом.
В общем случае подложка по своей химической природе отличается от материала пленки. Адсорбированные атомы соединяются в небольшие скопления, которые называются зародышевыми центрами, или зародышами, а процесс их образования – зародышеобразованием.
В работе [1] рассматриваются две основные теории зародышеобразования, основанные на капиллярной и атомной моделях. Эти модели отличаются друг от друга в подходе к вычислению энергии образования зародышей.
Во всех теориях зародышеобразования в тонких пленках первым этапом считается столкновение молекул пара с подложкой.
После столкновения молекулы пара могут адсорбироваться и прочно закрепиться на подложке, могут через конечный промежуток времени после адсорбции снова испариться, и, наконец, могут мгновенно отразиться от подложки.
Капиллярная модель постулирует следующее: для того, чтобы из пересыщенного пара образовалась конденсированная фаза (устойчивые островки конденсированной фазы), необходимы положительные флуктуации свободной энергии, приводящие к преодолению активационного барьера (так называемый «барьер зародышеобразования»). Из-за такого барьера, для того, чтобы конденсация имела место, необходимо пресыщение больше единицы.
Капиллярная модель предсказывает, что изменение свободной энергии при образовании зародыша имеет максимум, т.е. зародыш по мере роста и прохождения через «критический» размер имеет максимум устойчивости по отношению к диссоциации в паровую фазу.
Максимум свободной энергии получается в результате конкуренции двух параметров: очень большого отношения поверхности к объему в малых зародышах, из-за которого их устойчивость уменьшается, и наличия энергии конденсации, увеличивающей устойчивость зародышей с увеличением их размеров.
Зародыш может разрастись до сверхкритических размеров или за счет объединения с атомами газовой фазы, падающими непосредственно на его поверхность, или за счет столкновений с адатомами, диффундирующими на поверхность подложки.
Капиллярная модель зародышеобразования является наиболее понятной и, несмотря на то, что она не всегда дает количественную информацию о размерах критических зародышей, правильно предсказывает ход зависимостей размеров зародышей и скорости зародышеобразования от величины падающего потока, температуры подложки и ее природы. Атомная модель почти идентична капиллярной; отличие ее состоит лишь в том, что в ней делается акцент на очень маленькие критические зародыши. В частности, эта теория предсказывает, что если при изменении пересыщения размер критического зародыша меняется только на один атом, на кривой скорости зародышеобразования от степени пересыщения будет наблюдаться излом.
Таким образом, атомная теория наилучшим образом описывает: во-первых, конденсацию тех материалов, для которых характерны малые критические зародыши, т.е. материалов с большой свободной энергией конденсации в массивном кристалле; во-вторых, конденсацию при очень высоких пересыщениях. Капиллярная модель очень удобна при описании конденсации материалов с малой свободной энергией образования зародыша или конденсации при малых пересыщениях, когда критические зародыши велики. В пределе очень больших критических зародышей эти две модели становятся эквивалентными.
В экспериментах по зародышеобразованию в тонких пленках наиболее важной величиной является температура подложки, так как ее малые изменения приводят к большим изменениям в степени пересыщения. Результат подобных экспериментов часто состоит в определении «критической» температуры, при которой наблюдаются изменения в процессе образования зародышей. Определяют следующие критические температуры. Во-первых, это «критическая температура конденсации», выше которой невозможно наблюдать появление конденсированного осадка. Эта температура сильно зависит от метода и чувствительности используемой для наблюдения аппаратуры, а также от скорости осаждения и времени, которое проходит до момента наблюдения. При температурах выше критической конденсацию наблюдать невозможно; при температурах ниже критической она происходит быстро. Во-вторых, существуют несколько температур «переходов», соответствующие изменению размера критического зародыша. В-третьих, это температура «эпитаксии», выше которой наблюдается эпитаксиальный рост осадка на монокристаллическую подложку. Температура эпитаксии связана с температурой перехода. Обе эти температуры зависят от скорости осаждения.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.