薄膜

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简介

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薄膜是一层厚度从几分之一纳米(单层)到几微米的材料。将材料控制合成为薄膜(这一过程被称为沉积)是许多应用中的一个基本步骤。

一个熟悉的例子是家用镜子,它通常在一片玻璃的背面有一个薄的金属涂层,以形成一个反射界面。银化过程曾经被普遍用于生产镜子,而最近,金属层是用溅射技术沉积的。

在20世纪,薄膜沉积技术的进步已经在一些领域实现了广泛的技术突破,如磁性记录介质、电子半导体设备、集成无源器件、LED、光学涂层(如抗反射涂层)、切削工具的硬涂层,以及用于能源生产(如薄膜太阳能电池)和存储(薄膜电池)。

它也被应用于制药,通过薄膜药物输送。一堆薄膜被称为多层膜。

除了他们的应用兴趣,薄膜在开发和研究具有新的和独特性能的材料方面发挥着重要作用。例子包括多铁材料和允许研究量子现象的超晶格。

成核

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成核是生长中的一个重要步骤,有助于确定薄膜的最终结构。许多生长方法依赖于成核控制,如原子层外延(原子层沉积)。成核可以通过表征表面的吸附、解吸和表面扩散过程来建模。

吸附和解吸

吸附是蒸汽原子或分子与基片表面的相互作用。这种相互作用的特点是粘附系数,即进入的物种与表面热平衡的部分。解吸作用逆转了吸附作用,以前吸附的分子克服了约束能量而离开基底表面。

种类型的吸附,物理吸附和化学吸附,是根据原子相互作用的强度来区分的。物理吸附描述了拉伸或弯曲的分子和表面之间的范德瓦尔斯键,其特点是吸附能E p {{displaystyle E_{p}}。蒸发的分子迅速失去动能,并通过与表面原子的结合减少其自由能。

化学吸附描述了分子与基底原子的强电子转移离子共价键),其特征是吸附能E c { {displaystyle E_{c}}。.物理吸附和化学吸附的过程可以通过势能作为距离的函数来体现。物理吸附的平衡距离比化学吸附的距离更远。从物理吸附到化学吸附状态的转变受有效能垒E a {displaystyle E_{a}}的制约。.

晶体表面有特定的结合点,其E a {displaystyle E_{a}}值较大,会优先被蒸汽分子填充以减少整体自由能。这些稳定的位点通常被发现在台阶边缘、空位和螺钉位错上。在最稳定的位点被填充后,原子-原子(蒸汽分子)的相互作用变得很重要。

成核模型

成核动力学可以只考虑吸附和解吸的情况下进行建模。首先考虑没有相互的原子相互作用,没有集群或与台阶边缘的相互作用的情况。

腺体表面密度n { {displaystyle n}的变化率。其中J {displaystyle J}是净通量,τ a {displaystyle tau _{a}}是解吸前的平均表面寿命,σ {displaystyle sigma }是粘性系数。

薄膜

吸附也可以通过不同的等温线进行建模,如Langmuir模型和BET模型。Langmuir模型根据蒸汽原子与基底表面空位的吸附反应,得出平衡常数b {displaystyle b}。BET模型进一步扩展,允许腺体沉积在以前吸附的腺体上,而不需要相邻的原子堆之间的相互作用。由此得出的表面覆盖率是以平衡蒸气压力和施加的压力为条件的。

BET模型,其中p e {displaystyle p_{e}}是吸附原子的平衡蒸气压,p {displaystyle p}是吸附原子的应用蒸气压。

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  1. 简介
  2. 成核
  3. 吸附和解吸
  4. 成核模型

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