部分電子薄膜材料熱力學(xué)和動力學(xué)研究.pdf

1、隨著電子信息產(chǎn)業(yè)（集成電路產(chǎn)業(yè)、固體發(fā)光產(chǎn)業(yè)、激光器件產(chǎn)業(yè)和磁記錄產(chǎn)業(yè)）的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體和磁性薄膜科學(xué)和技術(shù)愈來愈受到重視，利用新技術(shù)、新方法制備具有特定性能的薄膜材料已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點。薄膜材料的微觀組織形態(tài)顯著地影響著薄膜材料的宏觀性能，由于薄膜材料的特殊結(jié)構(gòu)，如薄膜和基板接觸以及表面效應(yīng)，使薄膜材料在熱力學(xué)穩(wěn)定性和相變過程等方面與體材料有著非常大的區(qū)別，傳統(tǒng)的熱力學(xué)和動力學(xué)理論在某種程度上并不能很好地適用于薄膜材料。但是目前

2、對于薄膜材料的熱力學(xué)和動力學(xué)的基礎(chǔ)研究還不完善。因此，從理論上研究薄膜材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性和相變過程，對有效地預(yù)測薄膜材料的宏觀性能，有目的的開發(fā)和研制性能優(yōu)異的半導(dǎo)體和磁性薄膜材料具有重要的理論和實際意義。
　　 本研究的主要工作是針對薄膜材料的特殊結(jié)構(gòu)，通過熱力學(xué)計算和動力學(xué)模擬，研究部分半導(dǎo)體薄膜和磁性薄膜在應(yīng)力、表面和沉積速度影響下的相平衡、相穩(wěn)定性和組織結(jié)構(gòu)特征。本研究首先計算了在基板失配應(yīng)變能和表面能作用下，部分Ⅲ-Ⅴ

3、族半導(dǎo)體和Co基磁性薄膜的相平衡和熱力學(xué)穩(wěn)定性。同時，利用相場動力學(xué)模型，系統(tǒng)地考察了不同條件下（如沉積速度、初始成分、應(yīng)力狀態(tài)、基板和晶界等），薄膜組織形態(tài)的演化過程。本研究的主要內(nèi)容如下:
　　 (1)通過分析薄膜/基板系統(tǒng)的彈性應(yīng)力和過剩化學(xué)自由能，利用自編的程序主要研究了以下內(nèi)容:
　　 (a)對部分Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體薄膜的臨界膜厚和彈性應(yīng)變能進(jìn)行計算，分析在不同應(yīng)力狀態(tài)下薄膜/基板系統(tǒng)的過剩自由能。
　　

4、(b)計算了部分Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體薄膜/基板系統(tǒng)的相平衡，通過對計算結(jié)果的分析，研究了彈性應(yīng)變能、位錯能和表面能對薄膜相平衡的影響。
　　 (2)通過考慮bcc、fcc和hcp三種結(jié)構(gòu)薄膜以不同晶面和基板接觸時的彈性應(yīng)變能、表面能和化學(xué)自由能，計算系統(tǒng)的總自由能，通過求解自由能的最小值來計算不同溫度和厚度下，純Co薄膜和Co-Cr合金薄膜的不同結(jié)構(gòu)相以不同晶面生長時的熱力學(xué)穩(wěn)定性。對幾種純金屬薄膜的熔點進(jìn)行了計算。
　　 (

5、3)利用Cahn-Hilliard相場動力學(xué)模型，系統(tǒng)地考察了薄膜沉積過程中自組裝多層薄膜結(jié)構(gòu)的微觀組織演化，主要包括以下內(nèi)容:
　　 (a)模擬了在無應(yīng)力作用下，具有spinodal分解的半導(dǎo)體薄膜在沉積過程中組織演化，首次系統(tǒng)地研究了沉積速度對薄膜中spinodal分解的影響，通過對沉積速度的標(biāo)準(zhǔn)化，得到了初始成分、沉積速度和薄膜組織的關(guān)系圖，并與實驗結(jié)果取得了很好的一致性。
　　 (b)通過引入同質(zhì)基板（基板為sp

6、inodal分解的一種平衡相），研究了同質(zhì)基板對薄膜沉積過程中微觀組織的影響。
　　 (c)通過考慮薄膜中兩組元之間擴散系數(shù)的差異以及薄膜體擴散和表面擴散的差異，研究了擴散系數(shù)對薄膜沉積過程中微觀組織演化的影響。
　　 (d)采用微觀彈性場理論，研究了非均質(zhì)彈性應(yīng)力場作用下，沉積速度對薄膜中spinodal分解的影響。
　　 (4)針對實驗發(fā)現(xiàn)的Co基薄膜中幾種典型的微觀組織結(jié)構(gòu)，半定量地模擬了Co-V和Co-C