查看“︁薄膜生长模式”︁的源代码

{{noteTA
|G1=Chemistry
|G2=Physics
}}

[[Image:GrowthModes.png|thumb|400px|三种基本的薄膜生长模式：（a）岛状生长模式（Volmer-Weber模式，或VM模式）；（b）层状生长模式（Frank–van der Merwe模式，或FM模式）和（c）岛状/层状生长模式（Stranski–Krastanov模式，或SK模式）。Θ表示不同的表面覆盖度。]]

'''薄膜生长模式'''（Modes of thin-film growth）指的是[[薄膜]]在材料表面的[[外延 (晶体)|外延成长]]中不同的生长机制，由{{le|恩斯特·鲍尔|Ernst G. Bauer}}于1958年系统化地归纳为三大类型<ref name="bauer1958">{{cite journal | doi = 10.1524/zkri.1958.110.1-6.372 | last = Bauer | first = Ernst | title = Phänomenologische Theorie der Kristallabscheidung an Oberflächen. I | journal =Zeitschrift für Kristallographie | volume = 110 | pages = 372–394 | year = 1958 |bibcode = 1958ZK....110..372B }}</ref>：岛状生长模式（即Volmer-Weber模式）、层状生长模式（即Frank–van der Merwe模式）和岛状/层状生长模式（即[[斯特兰斯基－克拉斯坦诺夫生长|斯特兰斯基－克拉斯坦诺夫模式]]）{{#tag:ref|此处三种模式的翻译参考了[[中山大学]]江绍基的课件<ref name = "江绍基">{{cite web|title = 薄膜生长与制备技术|author = 江绍基|url = http://www.ofweek.com/Upload/Coeic/2009-4/200941011742778.pdf|publisher = [[中山大学]]|access-date = 2017-10-13|archive-date = 2017-10-14|archive-url = https://web.archive.org/web/20171014034810/http://www.ofweek.com/Upload/Coeic/2009-4/200941011742778.pdf|dead-url = no}}</ref>和日本计量标准综合中心（NMIJ）的论文<ref name = "NMIJ">{{cite journal|title = -{金属薄膜標準物質の現状,ニーズ,技術背景に関する報告}-|author = {{lang|ja|林 智広}}|url = https://unit.aist.go.jp/nmij/public/report/bulletin/Vol6/1/V6N1P61.pdf| journal={{lang|ja|産総研計量標準報告}} | volume=6 | number = 1 | pages=64 | date=2007-03}}</ref>。|group="注"}}。
[[Image:Volmer-Weber-Modus.svg|thumb|200px|岛状生长模式]]
[[Image:Frank-van-der-Merwe-Modus.svg|thumb|200px|层状生长模式]]
[[Image:Stranski-Krastanow-Modus.svg|thumb|200px|岛状/层状生长模式]]

== 基本生长模式 ==
=== 岛状生长模式 ===
岛状生长模式又称Volmer-Weber模式、VM模式，得名于{{le|马克斯·福尔默|Max Volmer}}和A. 韦伯<ref>{{cite journal |last=Volmer |first=M. |last2=Weber |first2=A. |date=1926 |title=Keimbildung in übersättigten Gebilden |journal=Z. Phys. Chem. |volume=119 |pages=277–301}}</ref>。在岛状生长中，薄膜原子相互之间的束缚力强于衬底对薄膜原子的束缚力，导致薄膜原子在衬底表面直接[[成核]]生长出三维的原子岛<ref name="oura2003"/>。大部分薄膜都是呈岛状生长的<ref name = "SHINCRON">{{cite web|title=8.关于薄膜制造上的重点|publisher=SHINCRON Co.,Ltd.|url=https://www.shincron.co.jp/cn/technical/device10/|access-date=2017-10-13|archive-date=2016-09-13|archive-url=https://web.archive.org/web/20160913075216/http://www.shincron.co.jp/cn/technical/device8-1.html|dead-url=no}}</ref>。

=== 层状生长模式 ===
层状生长模式又称Frank–van der Merwe模式、FM模式，得名于{{le|弗雷德里克·查尔斯·弗兰克|Frederick Charles Frank}}和{{le|Jan H van der Merwe|Jan H van der Merwe}}<ref>{{cite journal |first=F. C. |last=Frank |first2=J. H. |last2=van der Merwe | title=One-Dimensional Dislocations. I. Static Theory | journal=Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences | volume=198 | issue=1053 | date=1949 | pages=205–216 | jstor=98165 |bibcode=1949RSPSA.198..205F |doi=10.1098/rspa.1949.0095 }}</ref><ref>{{cite journal |first=F. C. |last=Frank |first2=J. H. |last2=van der Merwe | title=One-Dimensional Dislocations. II. Misfitting Monolayers and Oriented Overgrowth | journal=Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences | volume=198 | issue=1053 | date=1949 | pages=216–225 | jstor=98166|bibcode=1949RSPSA.198..216F |doi=10.1098/rspa.1949.0096 }}</ref><ref>{{cite journal |first=F. C. |last=Frank |first2=J. H. |last2=van der Merwe | title=One-Dimensional Dislocations. III. Influence of the Second Harmonic Term in the Potential Representation, on the Properties of the Model | journal=Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences | volume=200 | issue=1060 | date=1949 | pages=125–134 | jstor=98394|bibcode=1949RSPSA.200..125F |doi=10.1098/rspa.1949.0163 }}</ref>。在层状生长中，衬底对薄膜原子的束缚力强于薄膜原子之间的作用力，导致薄膜遵循严格的二维生长——即直到完全生长完一层，下一层才开始生长<ref name="oura2003"/>。层状生长模式在PbSe/[[硫化铅|PbS]]、[[金|Au]]/[[钯|Pd]]、[[铁|Fe]]/[[铜|Cu]]等系统中有出现<ref name = "SHINCRON"/>。

=== 岛状/层状生长模式 ===
{{main|斯特兰斯基－克拉斯坦诺夫生长}}
岛状/层状生长模式又称斯特兰斯基－克拉斯坦诺夫模式、SK模式，得名于[[伊万·斯特兰斯基]]和 Lyubomir Krastanov<ref>{{cite journal |last=Stranski |first=I. N. |last2=Krastanov |first2=L.|title=Zur Theorie der orientierten Ausscheidung von Ionenkristallen aufeinander |journal=Sitzungsber. Akad. Wiss. Wien. Math.-Naturwiss. |volume=146 |date=1938 |pages=797–810.}}</ref>。岛状/层状生长模式介于岛状生长模式与层状生长模式之间：在衬底上以二维方式生长一定厚度的薄膜之后，会开始以三维形式生长原子岛。<ref name="oura2003"/>岛状/层状生长模式在[[镉|Cd]]/[[钨|W]]、Cd/[[锗|Ge]]等系统中出现<ref name = "SHINCRON"/>。

== 理论解释 ==
不同的薄膜生长模式取决于薄膜和衬底材料表面的化学与物理性质，例如[[表面张力]]和晶格系数<ref name="venables2000">{{cite book |last=Venables |first=John |year=2000 |title=Introduction to Surface and Thin Film Processes |url=https://archive.org/details/introductiontosu0000vena |location=Cambridge |publisher=Cambridge University Press |isbn=0-521-62460-6}}</ref><ref name="pimpinelli_villain">{{cite book |last=Pimpinelli |first=Alberto |year=1998 |title=Physics of Crystal Growth |location=Cambridge |publisher=Cambridge University Press |isbn=0-521-55198-6 |author2=Jacques Villain }}</ref><ref name="oura2003">{{cite book |last=Oura |first=K. |author2=V.G. Lifshits |author3=A.A. Saranin |author4=A.V. Zotov |author5=M. Katayama |year=2003 |title=Surface Science: An Introduction |url=https://archive.org/details/surfacesciencein0000unse_n1m1 |location=Berlin |publisher=Springer |isbn=3-540-00545-5}}</ref>，可通过考虑距离表面最近的几层原子的[[化学势]]来确定生长机制<ref name="pimpinelli_villain"/><ref name="markov1995">{{cite book |last=Markov |first=Ivan V. |year=1995 |title=Crystal Growth for Beginners: Fundamentals of Nucleation, Crystal Growth, and Epitaxy |location=Singapore |publisher=World Scientific |isbn= 981-02-1531-2}}</ref>。1995年，伊万·马尔可夫提出原子层内单原子的化学势模型<ref name="markov1995"/>：

:<math>\mu(n) = \mu_\infty +[\varphi_a - \varphi_a'(n) + \varepsilon_d(n) + \varepsilon_e(n)]</math>

其中 <math>\mu_\infty</math> 表示吸附材料的体化学势（bulk chemical potential），<math>\varphi_a</math> 表示[[浸润层]]吸附原子的脱附能（desorption energy），<math>\varphi_a'(n)</math> 表示衬底吸附原子的脱附能，<math>\varepsilon_d(n)</math> 表示每个原子的位错错配能（misfit dislocation energy），<math>\varepsilon_e(n)</math> 表示每个原子的同质应变能（homogeneous strain energy）。在一般情况下，<math>\varphi_a</math>、<math>\varphi_a'(n)</math>、<math>\varepsilon_d(n)</math> 和 <math>\varepsilon_e(n)</math> 的值与薄膜的厚度，以及衬底和薄膜之间的位错有着极为复杂的关系。在[[应变 (物理学)|应变]]很小的情况下（即 <math>\varepsilon_{d,e}(n) \ll \mu_\infty</math>），薄膜的生长模式取决于 <math>\frac{d\mu}{dn}</math> 的值：

* 岛状生长模式：<math>\frac{d\mu}{dn} < 0</math> （表层原子的[[凝聚力]]强于衬底表面的[[黏附|黏附力]]）
* 层状生长模式：<math>\frac{d\mu}{dn} > 0</math> （衬底表面的黏附力强于表层原子的凝聚力）
* 岛状/层状生长模式：原始衬底上的生长模式为层状生长模式（即 <math>\frac{d\mu}{dn} > 0</math>）；当后来生长的薄膜达到某个临界厚度时，在薄膜上继续生长薄膜将出现 <math>\frac{d\mu}{dn} < 0</math> 的情况，即生长模式转变为岛状生长模式<ref name="markov1995"/>。

== 实验测量 ==
在实际的科学实验中，可以运用多种手段判断薄膜生长的模式，包括[[透射电子显微镜]]或[[扫描隧道显微镜]]（直接测量表面形貌），[[低能电子衍射]]或{{le|反射式高能电子衍射|Reflection high-energy electron diffraction}}（通过测量衍射强度的振荡），以及[[俄歇电子能谱学|俄歇电子能谱]]<ref name="oura2003"/>。

== 注释 ==
{{Reflist|group="注"}}

== 参考文献 ==
{{reflist|30em}}

[[分类:薄膜]]
[[分类:表面化学]]