Физико-химические закономерности двухмерных наноструктур или тонких пленок.

Методы получения нанопленок можно разделить на две группы:

1) осаждение из паровой фазы

2) жидко-фазный рост

Первая группа включает методы испарения, эпитаксию молекулярными потоками, распыление, химическое осаждение пара, отложение атомных слоев.

Примеры второй группы: электрохимическое осаждение, осаждение хим растворов, пленки ленгмюра- блоджет и самоорганизующиеся монослои.

Осаждение пленок преимущественно состоит из гетерогенных процессов, которые включают: гетерогенные хим. реакции, испарение, гетерогенное образование зародышей и их поверхностный рост. В большинстве случаев осаждением пленок проводится в вакууме.

Механизмы роста пленок: рост пленок зародышеобразования включает процессы зародышеобразования и роста зародышей на подложке. Процесс зародышеобразования играет очень важную роль в определении микроструктуры и стркутуры получившихся пленок. Особенно важен этот процесс при осаждении тонких нанометровых пленок.

Многие экспериментальные наблюдения показали что есть три способа образования зародыша:

1) Осрвковый рост (рост Фольмера-Вебера)

2) Слоевой рост (рост Франка –Ван Дер Марве)

3) Островково слоевой рост (рост Странски – Срастонова)

Рис. 1

Островковый рост происходит когда зародыши связаны друг с другом чем с подложкой. Такой тип зародышеобразования металла на начальном этапе образования пленки демонстрируют многие металлические системы на непроводящие подложки. Последующий рост пленки приводит к слиянию островков и формированию непрерывного слоя.

При слоевом росте противоположность островковому зародыши более сильно связаны с подложкой, чем друг с другом, в этом случае осаждение второго слоя пленки происходит только после завершения формирования первого слоя. Наиболее важным примером слоевого роста пленок является эпитаксиальный рост единичных кристаллических пленок.

Эпитаксия – это ориентированная кристаллизация вещества на ПВ кристалло-подложки.

Островково слоевой рост это комбинация слоевого роста и островкового. Такой способ роста обычно приводит к возникновению напряжений, которые развиваются при формировании зародышей, или пленок. В начало

Выше было показано, что критический размер зародыша R* и соответствующий ему энергетический барьер определяются соответственно выражениями 1 и 2

(1)

(2)

Для островкового роста краевой угол смачивания должен быть больше нуля. Согласно уравнению юнга должно выполняться выражение 3

g_sn < g_fs + g_nf (3)

Если осаждающиеся частицы не смачивают подложку вообще или θ = 180 имеет место гомогенное зародышеобразование. При краевом росте осадок смачивает подложку полностью, и краевой угол смачивания равен нулю и соотв ур-ние юнга принимает вид 4:

g_sn = g_fs + g_nf (4)

Самым важным при слоевом росте является моноосаждение пленок посредством гомоэпитаксии, где пленка имеет ту же самую кристаллическую структуру и состав что и подложка, или гетероэпитаксии, при которой пленка имеет структуру близкую соответствующую подложке. Гомоэпитаксия –простое расширение подложки, поэтому в этом случае практически нет границы, разделяющей подложку и напыляемой пленкой и нет процесса зародышеобразования. Если же наносимый слой имеет хим состав, отличный от подложки и зародыши предпочтительнее Из-за различия в хим составе параметры решетки нанесенного слоя будут отличаться от аналогичных параметров подложки. Такое различие приводит к развитию напряжений, причем эти напряжения являются причиной островкового слоевого механизма роста. Этот рост более сложен по сравнению с предыдущим, и включает развитие напряжений in situ (на месте). Когда нанесенный слой упруго деформируется, например, из-за неполного сопряжения решетки между слоем и подложкой будет появляться энергия напряжения. По мере появления новых слоев напряжение возрастает, а пластическая релаксация отсутствует., в этом случае изменение величины свободной энергии должны включать энергию напряжения и уравнение 2 примет вид уравнения 5

(5)

Поскольку знак отриц, а знак w положителен, суммарный энергетический барьер возрастает, когда величина напряжения превышает критическое напряжение, и оно не может быть релаксировано, энергия напряжения на единицу площади пленки велика (относительно γ_nf) и это позволяет зародышу сформироваться над начальным слоем. Возможны и другие ситуации, когда может изменяться полная величина свободной энергии Гиббса. Например, если происходит осаждение образование зародышей на подложке, которое сопровождается возникновением трещин и винтовых дислокаций. В начало

Последние дефекты приводит к сбросу напряжения и таким образом к увеличению изменения свободной энергии Гиббса. В результате энергетический барьер для зародышеобразования понижается, и величина размера зародыша становится меньше. Подобным образом на величину дельта ж со звездочкой могут влиять заряд поверхности и примеси.

Рассмотренные выше модели зародышеобразования применимы к росту единичного кристалла, а также поликристаллических и аморфных пленок.

Будет ли слой монокристаллическим, поликристаллическим или аморфным зависит от условий роста и подложки. Важно значение имеют температуры осаждения и скорость поступления частиц роста.