表面過程機理ppt課件(專業(yè)版)

　　

【正文】 如圖 59是微量鋅蒸氣存在時氮化鎵外延層的螺旋生長形貌照片 。 晶體生長模型 (續(xù) ) ?前已指出，與低指數面成一小角度的晶面由臺地、棱階和彎結所組成。 ?一般說，密堆積面具有最低的表面能，稱為低能面。 aE dE0v 1v dv1310（ ） （ ） （ ） a?表面遷徙 (續(xù) ) ?假定， 于是得到： e x p [ ]22 ads EEaX kT??對于簡單立方晶體的 (001)， ， ， ， 和 分別為最近鄰和次近鄰兩原子間的單鍵強度。 c s V s????? c s c VSS??c V V s c s? ? ?? ? ???異相成核影響因素 ? 氣相單晶生長時，石英器壁的某些位置上總是重復出現成核現象，基本是此原因。 e xp GJzkT???? 臨（ ） （ ） 均相成核－ 成核速率方程 ?為了將式 ()用于實際發(fā)生的不可逆過程，必須假定凝聚相的生長不會明顯地改變氣相的過飽和度，同時可以合理地認為臨界核僅一半重新離解，另一半則繼續(xù)長大。極大值對應 的核稱為臨界核， 其半徑為臨界半徑 。 如圖 53所示的 PT 相圖中，壓力為 Pi的 蒸氣不是在固相線 的 1點 (T1)而是在 2點 (T2)開始固相成核。生長開始的數秒鐘內，首先在襯底表面形成若干無序的三維晶核，這些晶核由少變多，由小變大，逐漸出現邊緣，形成頸部平整的臺面，然后再進一步長大。氣相淀積過程中的化合物表面位壘往往較高，成晶粒子基本上被定域在其原來的吸附位置上。這種雜質阻礙了表面原子通過擴散或是通過別的原子遷移方式向它們的平衡位置轉移。 表面晶體結構－表面重建 ?重建現象不難理解，固體表面是晶體周期性結構的突然終止 (一種嚴重的晶體缺陷 )，表面原子處在一種各向異性的環(huán)境中，它的對稱性顯著低于體內原子。已研究過的高指數晶面大都呈現相當的熱穩(wěn)定性，即使在真空中加熱到1100℃ ，表面結構也覺察不出有什么破壞。 ?通過現代實驗技術 (如低能電子衍射 (LEED)和場離子顯微鏡 (FIM)技術 )的研究，獲悉表面是原子級有序的，且大多數表面原子都占據在周期性排列的平衡位置上。表面原子的束縛能近似地與其最近鄰和次近鄰原子數成正比，因而在棱階上的原子比臺地上的附著原子鍵合的更牢固。 39。低能電子衍射研究指出，迄今所研究的大多數低密勒指數的金屬表面，其表面結構跟它們體內 x射線單胞的投影所預期的一樣，只是第一層和第二層之間距離可能有變化，即在垂直表面的方向上發(fā)生了收縮或膨脹，但不改變 (1 l)單位晶胞的尺寸和方向。這就有可能與其它原子軌道重疊成鍵，一般稱為懸鍵軌道，而僅僅局限在表面上的電子狀態(tài)稱為電子表面態(tài) 氣體分子在表面上的吸附－ 懸鍵軌道 ?懸鍵軌道具有很大的反應活性，可以跟氣態(tài)原子的原子軌道相互作用，形成表面吸附化學鍵，引起電荷轉移或重新排布，從而達到一種比較穩(wěn)定的能量狀態(tài)。顯然，表面覆蓋度是溫度 (T)和入射流通量 (F)的函數。 ?一方面成核速率可以成為淀積過程的控制因素，以致于外延生長速率可以小于由氣相質量輸運所決定的最大速率；另一方面晶核按特定取向生長是否占有優(yōu)勢，更是外延單晶生長的關鍵。圖中 A區(qū)為熔融微滴成核可能發(fā)生的區(qū)域 凝聚亞穩(wěn)區(qū)S固( )(L)液(V)氣SL LVSV121P2PPTT1T2T A12T T T? ? ?．氣相過飽和度和均相成核（續(xù)） ?均相成核。將式 ()代人式 ()可以得到： G? 臨r臨3216=3 VGG????臨 為臨界核生長自由能。 ?．異相成核及其影響因素 ?在固體表面上的氣相淀積成核稱為異相成核。 ? 用電子顯微鏡觀測摻雜 NaCl襯底上的生長時發(fā)現，摻雜顆粒周圍的雙電層強化了成核作用。汞片晶棱邊快速生長的原因是由于基面上沒有原子俘獲位置，所以基面上不生長。這樣反復附加，在 (111)面上原子可以連續(xù)地附加到半晶位置上，并創(chuàng)生新的半晶位置，晶體將一個面一個面的生長。 ? 如立方晶體的 (111)面，是一種類似于液體的狀況，每一個表面位置都是良好的生長位置。 ?當 x＞ 1時， ，則當 時， ，即只有在離開螺旋核兩邊 距離內的吸附原子能夠并入晶格，生長速率將大大減小。 ） / 1 .0 1ePP ? / 1 .0 0 1ePP ?1ePP ?晶體生長模型－ 螺旋生長模型 ?吸著原子通過表面擴散向這些位置上附加，螺旋狀臺階水平地向四周推移直至達到整個表面，生長面便不斷地螺式增高，且又不斷產生新的螺狀棱階。 ?由此， KSV理論認為。假定兩個共面 接觸的原子相互間的 結合能為 ； 共用立方體棱邊 的兩個原子是次近鄰， 其鍵強為 2 1341/276891051/2圖 58 理想的簡單立方晶體的模型和各種原子格位 1?2? 晶體生長模型 (續(xù) ) ? 未完成的 (001)面上各種原子位置的結合能可以用不同數目的強度為 和 的鍵來表征 (參見圖中標號 ) 1? 2?： ： ： ： ： ： ： ： ： ： 晶位： 體內原子： 1245? ? ?1258? ? ?122? ? ?1246? ? ?1246? ? ? ?121236? ? ?1233? ? ?123? ? ?1226? ? ?124? ? ?1258? ? ? ?126 1 2? ? ?2 1341/276891051/2圖 58 理想的簡單立方晶體的模型和各種原子格位 晶體生長模型 (續(xù) ) ?據此，我們很容易計算原子在晶體上附著或從晶體上解吸時的能量變化。 ? 已污染的表面，不同程度地減弱了對成晶粒子的吸附，從而增加解吸速率和減小凝聚系數，降低了成核速率。這種作用的程度依賴于淀積物 — 襯底材料組合的性質及其相互關系 (如晶格結構與襯底的匹配程度，物理化學性質等 )。 e x p Gwz kT??? 臨 為指前因子。在成核特定情況下，也是臨界過飽和度與臨界核半徑的關系。 ．成核現象（續(xù)） ? 成核是一個復雜的現象，受許多因素影響，又很難和晶體生長的其它階段分開，因而實驗研究主要局限在易于按解理面劈裂的晶體 (堿金屬鹵化物和云母 )襯底上進行的外延生長。 ?如果吸附分子之間的相互吸引作用很大，那么低覆蓋率下就會出現有序的吸附物核島； ?如果吸附分子之間的吸引作用比實驗溫度下的分子熱能 (RT)低，吸附層將保持無序狀態(tài)。 ?這稱為“密堆積”規(guī)則和轉動對稱性規(guī)則，并可以用來預言表面結構或表面單位晶胞。表面缺陷的引入、正離子或負離子空位、都會促使形成比具有體內同樣化學組成更為穩(wěn)定的表面結構。這種表面單位網格不同于單晶內部體晶胞的現象稱為“表面重建”或“表面重構” 表面晶體結構－表面重建 ? 表面重建作用不僅跟溫度有關，而且也與表面的化學環(huán)境有關。切割而成 ]就具有如圖 52所示的臺階狀結構。6 表面