论文摘要
固体表面外延生长量子阱和量子点是制备具有特异量子效应光电器件的基础,在原子水平研究吸附原子的扩散和成岛动力学,对于设计外延岛形状和控制生长条件具有直接指导意义。到目前为止,理论预测晶体表面二维原子岛几何形状的方法可分为四类,即基于平衡态统计物理的Wulff关系(1901年建立),最低势能优化(如遗传算法),动力学模拟(包括分子动力学和动力学蒙特卡罗方法)和动态学模拟(速率方程)。这些方法在实际应用过程中都存在一些问题。目前应用最广泛的方法是Wulff关系,其预测程序简单,可在量子力学从头计算水平上实现。但是,该模型并不能解释所有的紧致岛形状,例如Wulff关系给出Pt(111)面二维紧致原子岛的形状为近六边形,而实验上在400K衬底所形成的原子岛却为三角形；其余三种方法只能采用经验相互作用势,而不能用量子力学从头计算方法进行预测。即便是这样,用遗传算法优化最低势能结构也只能处理几十个原子组成的表面原子岛；动力学模拟方法随着原子数目的增加会面临巨大的计算量问题；用速率方程进行动态学模拟需要输入精确的速率参数,而这些参数是不能通过经验作用势就可准确确定的。针对上述问题,本文试图建立一个简明有效的理论模型,提出了凝结势概念,可从静态势能预测二维原子岛形状,涉及的计算量很小,可在量子力学从头计算水平上实现。凝结势模型的基本思想是将单个原子在二维岛台阶附近所感受到的势谷与台阶的发展速度相联系,由此确定二维岛形状。原子岛台阶的生长速度取决于台阶吸附游离原子的能力,因此文中首先验证原子岛岛边台阶捕获游离原子的能力与凝结势的关系。其后,基于经验相互作用势,采用凝结势模型预测了几例金属同质外延二维原子岛的形状,结果表明同质外延生长的二维原子岛在Ag和Cu的(111)面呈现正六边形结构,而相应的(100)面二维岛则为正方形,该结果与实验观测均一致吻合。最后,我们聚焦于Pt/Pt(111)外延系统,用第一性原理方法计算其凝结势,并以两种半经验势的计算结果为映证,表明Pt(111)面的二维紧致原子岛在外延生长过程中应为三角形而非Wulff关系所预测的近六边形结构。我们的理论与1998年PRL所描述的实验观测完全吻合。