薄膜技术物理基础资料

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1、第二章第二章薄膜技术物理基础薄膜技术物理基础 2 2 主要内容 1 表面原子结构 二维结晶学和表面结构的表征表面原子结构 二维结晶学和表面结构的表征 2 表面能 定义 计算方法表面能 定义 计算方法 3 薄膜中的扩散薄膜中的扩散 3 3 几个表面定义几个表面定义 2 1表面原子结构 理想表面理想表面 沿着三维晶体相互平行的两个面切开 得到的表面 除了原子平移对称性破坏 表面原子仍然保持解理前的三维周 期结构 通常作为表面研究的参照面 沿着三维晶体相互平行的两个面切开 得到的表面 除了原子平移对称性破坏 表面原子仍然保持解理前的三维周 期结构 通常作为表面研究的参照面 清洁表面清洁表面 没有外界

2、杂质的真实表面 另外 解理后 表面原子失去相邻原子 失去了作用力的平 衡 原子不可能保持原来体相中的格点位置 没有外界杂质的真实表面 另外 解理后 表面原子失去相邻原子 失去了作用力的平 衡 原子不可能保持原来体相中的格点位置 表面原子的排列图案 可以从三维晶体结构导出 表面原子的排列图案 可以从三维晶体结构导出 例如 面心立方的 例如 面心立方的 100 110 111 面 面 存在原子驰豫和重构存在原子驰豫和重构存在原子驰豫和重构存在原子驰豫和重构 无任何污染无任何污染 无吸附无吸附 无催化反应无催化反应 无杂质扩散等物理化学效 应的表面 无杂质扩散等物理化学效 应的表面 获得很困难 超高

3、真空解理 或者进行各种必要的操作获得很困难 超高真空解理 或者进行各种必要的操作 4 4 弛豫表面弛豫表面 表面原子因受力不均在法线方向上向内收缩或向外 膨胀 表面原子因受力不均在法线方向上向内收缩或向外 膨胀 弛豫改变键角 但仍保留衬底原胞的对称性 弛豫改变键角 但仍保留衬底原胞的对称性 主要是表面第一层原子的驰豫 也可以发生在表面以下的 几个原子层范围 主要是表面第一层原子的驰豫 也可以发生在表面以下的 几个原子层范围 压缩效应 弛张效应 起伏效应 双电层效应压缩效应 弛张效应 起伏效应 双电层效应 压缩效应压缩效应 起伏效应起伏效应 5 5 重构 再构 表面重构 再构 表面 表面原子在与

4、表面平行的方向上的周期 也发生变化 发生重新排列 不同于晶体内部原子排列的二 维对称性 有再构 表面原子在与表面平行的方向上的周期 也发生变化 发生重新排列 不同于晶体内部原子排列的二 维对称性 有再构 再构和弛豫使体系能量降低 达到一个新的稳定平衡 再构和弛豫使体系能量降低 达到一个新的稳定平衡 再构和弛豫二者并不截然分开 常同时发生再构也可以涉及 到几个原子层 再构和弛豫二者并不截然分开 常同时发生再构也可以涉及 到几个原子层 主要取决于断键的情况主要取决于断键的情况 6 6 邻晶面 邻位面 邻晶面 邻位面 沿表面 例 沿表面 例001 偏离 偏离1 20切割 在表面 有许多台阶 切割 在

5、表面 有许多台阶 有有有有吸附吸附吸附吸附 台阶表面台阶表面 有台阶存在的表面 由一些较大的平坦区和高度不 同的台阶组成 有台阶存在的表面 由一些较大的平坦区和高度不 同的台阶组成 实际表面实际表面 外来原子或分子等 外来原子或分子等 表面上存在单原子高度 单调上升的规则台阶 表面上存在单原子高度 单调上升的规则台阶 7 7 1 1 二二二二维对称性维对称性维对称性维对称性 三维晶格三维晶格三维晶格三维晶格 三维点阵三维点阵三维点阵三维点阵 基本单元基本单元基本单元基本单元 平移对称性 平移对称性 7种晶系种晶系 14种布拉菲格子 点阵 种布拉菲格子 点阵 32种点群 点对称操作 表示晶体宏观

6、对称 性 至少保持一点不动 转动 镜面 对称中心 等 种点群 点对称操作 表示晶体宏观对称 性 至少保持一点不动 转动 镜面 对称中心 等 230种空间群 晶体的微观对称性 平移操作种空间群 晶体的微观对称性 平移操作 点对称操作 还包括螺旋轴 滑移面点对称操作 还包括螺旋轴 滑移面 c lbnamT r r r 二维晶格是三维晶格的特例二维晶格是三维晶格的特例 8 8 4个晶系个晶系 5种布拉菲格子种布拉菲格子 10种点群种点群 17种空间群 平面群 种空间群 平面群 表面表面 二维情况二维情况 确定表面周期性的基础是二维晶体学确定表面周期性的基础是二维晶体学 二维情况 原子的周期性结构可视

7、为一个平面点阵 格子 和基元组成 二维情况 原子的周期性结构可视为一个平面点阵 格子 和基元组成 二维点阵是一个平面上阵点的无限阵列 任何阵点周围情 况相同 二维点阵是一个平面上阵点的无限阵列 任何阵点周围情 况相同 任选一阵点为原点 任何点阵的位矢 任选一阵点为原点 任何点阵的位矢 bmanT v v r 基矢基矢 原胞原胞 9 9 平面 晶系 平面 晶系 点阵类型点阵类型点群点群惯用晶胞惯用晶胞平面群 斜角 平面群 斜角斜角点阵斜角点阵 P1 2平行四边形平行四边形 a b 900 P1 P2 矩形矩形简单矩形简单矩形 P C心矩形心矩形 C M 2mm矩形矩形a b 900 Pm Pg

8、Cm P2mm P2mg P2gg C2mm 正方正方正方点阵正方点阵 P4 4mm 正方形正方形 a b 900 P4 P4mm P4mg 六角六角六角点阵六角点阵P3 3m 6 6mm 1200菱形菱形a b 1200 P3 P3m P31m P6 P6mm 斜角矩形斜角矩形正方正方六角六角 1010 2 2 表面原子结构的表征表面原子结构的表征表面原子结构的表征表面原子结构的表征 bmamb bmama s s r r r r rr 2221 1211 b r a r 衬底原胞基失 衬底原胞基失 s a r s b r 表面原胞基失 表面原胞基失 衬底点阵中 与表面平行的晶面 平移对称性

9、 衬底点阵中 与表面平行的晶面 平移对称性 bmanT v v r 表面点阵平移对称性 表面点阵平移对称性 ss bmanT v v r 以理想的衬底点阵为参考 表面原胞以理想的衬底点阵为参考 表面原胞基失基失可表示为 可表示为 表面原子结构的表示 表面原子结构的表示 矩阵法和矩阵法和Wood法 法 1111 2221 1211 mm mm hklR 元素 符号 元素 符号 平行于表面的 衬底晶面 平行于表面的 衬底晶面 吸附 元素 吸附 元素 D b a M b a m m m m b a s s 22 12 21 11 表面原子结构的矩阵表示 表面原子结构的矩阵表示 M为对角矩阵情况为对角

10、矩阵情况 最简单情况最简单情况 表面结构与体内 相同 无再构 表面结构与体内 相同 无再构 有表面再构有表面再构 10 01 M 若若 bb aa s s rr rr 则则 q p M 0 0 若若 bqb apa s s rr rr 则则 M非对角矩阵非对角矩阵 有转动角有转动角 1212 DqphklR 表面原胞相对于衬底 原胞的转动角 表面原胞相对于衬底 原胞的转动角 a a p s r r b b q s r r DqphklR M非对角矩阵非对角矩阵 有转动角有转动角 表面原子结构的表面原子结构的Wood表示表示 M为对角矩阵为对角矩阵 bqbapabbaa ssss vv vv v

11、v vv 如果如果p q的表面晶胞不是原胞 的表面晶胞不是原胞 晶胞晶胞中心有一格点中心有一格点 DqpChklR 1313 举例 举例 黑点代表衬底点阵 设衬底为面心结构的 黑点代表衬底点阵 设衬底为面心结构的 100 面 面 红圆代表表面点阵 红圆代表表面点阵 o DR4522100 Wood表示 表示 DCR 22100 矩阵表示 矩阵表示 DR 11 11 100 也可用也可用C心表示 心表示 更常用更常用 0 3033 111 IAg NiSi1919 111 0 3033 111 PbSi 77 111 Si 夹角可计算出夹角可计算出夹角可计算出夹角可计算出 1414 o 45 2

12、2 o 7 26 55 CsCGaAs 44 110 Fcc 111 11 22 0 30 33 Fcc 001 11 22 C 22 1515 DnmqphklR DnmlkhR 如果吸附原子数量足以构成一个吸附层 影响了再构表面结构 如果吸附原子数量足以构成一个吸附层 影响了再构表面结构 吸附原子仍然满足平移对称性 通常与衬底晶格结构相近 吸附原子仍然满足平移对称性 通常与衬底晶格结构相近 清洁表面和吸附表面的表面原子结构的讨论 清洁表面和吸附表面的表面原子结构的讨论 一般清洁表面均吸附一定数量的外来原子 当原子不可忽略 但 数量不多 不足以影响表面结构时 在表面原子结构中 标出元 素符号

13、 一般清洁表面均吸附一定数量的外来原子 当原子不可忽略 但 数量不多 不足以影响表面结构时 在表面原子结构中 标出元 素符号 DqphklR 这里 表面的再构是清洁表面上的原子相对于体内点阵的变化 这里 表面的再构是清洁表面上的原子相对于体内点阵的变化 再构的二维点阵的基矢为衬底基矢的p和q倍 夹角为 吸附原子又以再构的表面作为参考 基矢分别为再构表面基矢 的m和n倍 夹角为 通常 吸附原子与衬底之间相互作用 清洁表面的再构恢复 1 1 结构 文献报道会注明是对清洁表面或吸附表面的研究 通常有吸附 元素的是吸附表面 再构的二维点阵的基矢为衬底基矢的p和q倍 夹角为 吸附原子又以再构的表面作为参

14、考 基矢分别为再构表面基矢 的m和n倍 夹角为 通常 吸附原子与衬底之间相互作用 清洁表面的再构恢复 1 1 结构 文献报道会注明是对清洁表面或吸附表面的研究 通常有吸附 元素的是吸附表面 1616 晶体硅表面的主要研究结果 晶体硅表面的主要研究结果 再构再构 Si 100 清洁表面清洁表面 制备 制备 Si 100 不是不是Si的自然解理面 的自然解理面 Ar 轰击 再高温退火轰击 再高温退火 10000C 得到 得到Si 100 清洁表面 清洁表面 最常见的是最常见的是 2 1 再构 各种制备条件 最稳定的 再构 各种制备条件 最稳定的 比较认可的再构模型 二聚体模型比较认可的再构模型 二

15、聚体模型 还有其他比较复杂的再构还有其他比较复杂的再构 2 2 C 2 4 等 等 1717 Si 111 清洁表面清洁表面 制备 制备 Si 111 是是Si单晶的自然解理面 单晶的自然解理面 在在UHV下 劈裂下 劈裂Si 可以得到较清洁有序的 可以得到较清洁有序的Si 111 面 比较适合研究 常见的再构 面 比较适合研究 常见的再构 11 111 Si 低温低温 4000C退火 退火 7 7 是稳定结构 是本征结构 得到 广泛承认 是稳定结构 是本征结构 得到 广泛承认 在一定的温度下 在一定的温度下 1 1 1818 77 111 Si表面科学研究中十分熟悉的例子 表面科学研究中十分

16、熟悉的例子 目前比较公认的是目前比较公认的是DAS模型 二聚体模型 二聚体 添加原子添加原子 层错模型 层错模型 DAS模型的原子排列模型的原子排列 黑色是增原子黑色是增原子由三层原子构成由三层原子构成包含二聚体 增原子 层错包含二聚体 增原子 层错 1919 Si 111 7 7 表面原子结构表面原子结构 第一层 第二层 第三层 第一层 第二层 第三层 有两个三角亚原胞有两个三角亚原胞 一个原子按正常方式堆积一个原子按正常方式堆积 另一个中 第二层原子发 生层错 另一个中 第二层原子发 生层错 平行四边形的四个顶角和边上 形成深空位平行四边形的四个顶角和边上 形成深空位 二聚体键二聚体键 空位空位 有层错的 亚原胞 有层错的 亚原胞 2020 表面吸附对表面再构的影响 表面吸附对表面再构的影响 77 111 Si Sn 低温低压低温低压 SnSi 77 111 加热加热 1750C SnSi 33 111 SnSi 3232 111 加热加热 7000C 8000C 加热加热 SnSi 33 111 从从1750C 开始 开始 Si衬底 恢复 衬底 恢复 1 1 结构 结构 Sn 原