液相基底表面金屬薄膜的形成機(jī)理和表面粗糙機(jī)制的AFM研究.pdf

1、許多研究結(jié)果表明，薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理、表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)主要依賴于制備方法與基底特性。自從二十世紀(jì)九十年代發(fā)現(xiàn)液體表面可用作薄膜生長(zhǎng)的基底以來(lái)，人們已經(jīng)對(duì)沉積在液相基底表面一些金屬薄膜的成膜機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)和物理特性等進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。
　　 本論文采用熱蒸發(fā)沉積方法在硅油基底表面成功制備了超薄鋁(Al)和鎳(Ni)金屬薄膜系統(tǒng)，利用原子力顯微鏡(AFM)研究了它們的成膜過程、微觀結(jié)構(gòu)以及在納米尺度范圍內(nèi)的表面動(dòng)力學(xué)標(biāo)度行為和表面粗糙

2、機(jī)理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：與其它金屬薄膜的情況基本類似，沉積在硅油表面的金屬鋁和鎳薄膜的成膜機(jī)理均近似符合二階段生長(zhǎng)模型，即沉積原子先凝聚成尺寸為一定大小的準(zhǔn)圓形原子團(tuán)簇，然后經(jīng)過無(wú)規(guī)擴(kuò)散和轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸形成分枝狀凝聚體。隨著名義膜厚d的增加，分枝狀凝聚體不斷生長(zhǎng)和相互連接，最后演變成致密的連續(xù)薄膜。
　　 我們利用AFM對(duì)從不連續(xù)到連續(xù)的鋁和鎳薄膜系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。研究表明：鋁和鎳原子團(tuán)簇和分形凝聚體均由尺寸為更小的呈現(xiàn)高斯分布的原子

3、顆粒組成；原子顆粒的最概然直徑φm具有101nm量級(jí)；在一定的沉積速率下，鋁原子顆粒的φm隨著d的增加而沒有明顯變化，而鎳原子顆粒的φm隨著d的增加而減小。研究表明：在沉積過程中，原子顆粒的尺寸變化主要依賴于凝聚核的數(shù)密度與沉積速率。在沉積過程中，隨著d增加，若凝聚核的數(shù)密度增加較快，使得每個(gè)原子顆?？梢圆蹲降降钠骄练e原子數(shù)目減少，原子顆粒的φm隨著d增加而減??；若凝聚核的數(shù)密度增加與沉積速率同步，使得每個(gè)原子顆粒因捕捉新的沉積原子而

4、引起的尺寸變化與核增加而引起的φm的變化相平衡，結(jié)果原子顆粒的φm隨著d增加而沒有明顯變化。
　　 對(duì)Al和Ni薄膜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)標(biāo)度行為和表面粗糙機(jī)理進(jìn)行了研究。運(yùn)用AFM軟件的測(cè)量功能，測(cè)量了兩種薄膜在不同名義厚度下的表面方均根粗糙度(Wrms)和一維功率頻譜密度(1DPSD)。分析wrms隨d變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)Al薄膜的生長(zhǎng)指數(shù)β=0.23±0.05，Ni薄膜β=0.32±0.05。分析不同d薄膜樣品的1DPSD，發(fā)現(xiàn)A1薄膜

5、的粗糙指數(shù)則隨著d的增加從a≥l變化到

6、的生長(zhǎng)指數(shù)和粗糙指數(shù)表明，在其形成過程中的動(dòng)力學(xué)標(biāo)度行為符合WV(Wolf-Villain)方程和VLS方程共同作用的結(jié)果。在Ni薄膜的生長(zhǎng)過程中，表面擴(kuò)散、非線性粗糙和白噪聲粗糙起著共同的作用。
　　 本文各章節(jié)內(nèi)容安排如下：
　　 第一章：綜述了固相基底表面薄膜的成膜機(jī)理、計(jì)算機(jī)模擬模型和表面粗糙機(jī)理的研究現(xiàn)狀，并進(jìn)一步介紹了液相基底表面金屬薄膜的成膜機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)和物理特性等方面的研究。
　　 第二章：研究