基于Kuramoto-Sivashinsky模型的薄膜生长动力学模拟与实验研究

论文摘要

薄膜材料的生长取决于生长界面的表面动力学过程,它集中体现在原子在表面上的粘接,扩散和蒸发,决定着成核、生长及岛之间的相互作用等一系列的表面原子间的相互作用过程。在原子水平上研究薄膜生长中各种复杂原子过程,对于制备工艺的控制和改进有重要意义。借助于计算机技术和新的实验观察设备如原子力显微镜,扫描隧道显微镜,低能电子衍射技术,高能电子衍射技术,人们对这一原子过程已有了初步的了解。本文利用薄膜生长的动力学理论模型,通过计算机模拟及实验的方法得出薄膜生长过程中表面高度演化的特征及表面参量的变化规律。第一章首先综述了薄膜生长阶段的研究成果,包括薄膜生长过程、初始成核理论、团簇生长、合并、渗析过程的研究,影响薄膜生长因素。介绍了有关的薄膜测试技术。在此基础上提出利用薄膜表面特征来研究薄膜生长机理的想法。第二章从统计学角度出发研究薄膜表面形貌,介绍了描述随机表面的一阶和二阶统计特性,如高度概率分布函数、自相关函数、高度-高度相关函数等来定量描述薄膜表面。介绍了薄膜生长中的分形概念,以及定量描述分形表面参数——标准偏差粗糙度（Interface width）、生长指数（Growth exponent）、粗糙度指数（Roughness exponent）等。深入讨论了已有的薄膜生长动力学理论模型（Kuramoto-Sivashinsky模型（K-S）,Edwards-Wilkinson模型、Kardar-Parisi-Zhang模型（KPZ）、Mullins扩散模型等）中各个部分对应的热力学及动力学过程,并在此基础上研究薄膜的生长机理。第三章在K-S生长模型的基础上,编写了薄膜生长程序,借助于数值微分方法模拟了不同参数条件下K-S模型表面演化过程,定性研究了模型中参数对表面形貌特征的影响。第四章研究了激光溅射沉积工艺下制备GaN薄膜的生长,利用原子力显微镜（AFM）测量其表面形貌。综合AFM测量数据和分形概念,对薄膜表面作出了定量描述,并求出粗糙度指数、水平相关长度、标准偏差粗糙度等参数。结合已有的薄膜生长理论模型,得到此工艺条件下薄膜生长在短时间可以用Kuramoto- Sivashinsky模型来描述,当生长时间较长时,可以用Mullins扩散模型来描述。第五章中总结了本论文的主要内容,制定了后续工作计划。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 薄膜生长过程
• 1.3 初始成核理论
• 1.4 岛在表面迁移及熟化过程
• 1.5 合并与渗析
• 1.6 薄膜测试技术
• 1.6.1 扫描隧道显微镜
• 1.6.2 原子力显微镜
• 1.6.3 透射电子显微镜
• 1.6.4 高能电子衍射
• 1.6.5 X 射线反射及衍射测试技术
• 1.7 本文的研究内容
• 第二章 薄膜中的分形现象和薄膜表面定量描述
• 2.1 随机表面的定量统计描述
• 2.2 自仿射分形表面及薄膜自仿射分形生长
• 2.3 线性生长模型
• 2.4 Kardar-Parisi-Zhang 生长模型
• 2.5 Kuroumoto-Sivashinsky 生长模型
• 2.6 小结
• 第三章 薄膜生长模型与计算机模拟
• 3.1 薄膜生长模型的理论与方法
• 3.1.1 分子动力学
• 3.1.2 蒙特卡罗法
• 3.1.3 量子力学
• 3.2 薄膜生长模型的数值微分方法
• 3.3 K-S 方程数值求解及其决定的表面演化过程
• 3.4 小结
• 第四章 激光溅射沉积制备的氮化镓表面形貌分析
• 4.1 脉冲激光技术（PLD）
• 4.1.1 脉冲激光技术（PLD）原理
• 4.1.2 脉冲激光技术（PLD）优缺点
• 4.1.3 影响脉冲激光沉积的因素
• 4.1.3.1 激光能量密度
• 4.1.3.2 衬底温度
• 4.1.3.3 气压
• 4.1.3.4 靶距
• 4.2 激光溅射沉积制备的氮化镓表面形貌分析
• 4.2.1 薄膜样品的制备
• 4.2.2 薄膜生长界面的原子力显微镜测量
• 4.2.3 生长界面自仿射分形结构的描述及生长模型讨论
• 4.3 小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的文章
• 致谢