Диссертация (1105361), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Гетерогенное формирование происходит на частицах примесей, а гомогенное — в однородном веществе. Теория, описывающая формирование кластеров,основывается на предположении, что зарождающиеся кластеры могут быть описаны моделью жидкой капли. Во время возникновения кластеров происходит два процесса. Один изних энергетически выгодный и связан с энергией, выделяемой при переходе в новую фазу вовремя образования жидкости из пара.
Второй является энергетически невыгодным и связанс формированием поверхности раздела между двумя фазами. Для кластера, содержащего атомов, энергия межфазного взаимодействия равна2/3( ) = 4(3/4)2/3 ,(1.1)где — поверхностное натяжение на границе раздела, приходящееся на единицу площади, ( ) — площадь поверхности кластера, — объем, приходящийся на одну молекулужидкости, которой моделируется кластер [33].Поскольку при формировании кластера атомов уходят из газа, объемный вклад в свободную энергию формирования кластера составляет ( − ), где и — химическиепотенциалы, приходящиеся на одну молекулу жидкости и пара соответственно.
Сумма этоговклада и вклада из уравнения (1.1) представляет собой обратную работу ( ), осуществленную при формировании кластера, содержащего атомов. Выражение для этой работыимеет вид2/3 ( ) = − ln + 4(3/4)2/3 ,(1.2)20где — температура, — пересыщение. Мерой пересыщения служит отношение давленияпара к давлению насыщенного пара, находящегося в равновесии с жидкой фазой.Конкуренция между слагаемыми для объемной и поверхностной энергии определяетстабильность кластера и концентрацию кластеров в перенасыщенном паре. Наименьший размер кластера определяется из условия / = 0.1.1.2Этапы формирования островка из кластеровОсаждая заранее сформированные кластеры на подложку, можно получать наноструктуры двух типов:– в режиме, когда количества осажденных кластеров недостаточно для формированияодного монослоя (субмонослойный режим), получаются островки, не объединенныемежду собой.
При определенных условиях можно управлять их положением на подложке;– в режиме, когда на подложку осаждается существенно бóльшее число кластеров, происходит формирование пленок с кластерной структурой.В данной работе рассматривается режим, в котором количество осаждаемых кластеров недостаточно для формирования монослоя, и, таким образом, создаются условия дляформирования отдельных островков.В процессе формирования наноостровков на подложке можно выделить следующие стадии [32]:– Осаждение кластеров на подложку. Данный этап характеризуется потоком осаждаемых кластеров , т.е. числом кластеров, осаждаемых на единицу площади подложкив единицу времени.
Обычно поток постоянный, но в ряде случаев использование импульсного напыления оказывается более эффективным [34].– Диффузия осажденных кластеров по поверхности подложки. При этом движение кластеров — броуновское. Данный этап характеризуется коэффициентом диффузии кластеров по подложке .– Объединение двух оказавшихся рядом кластеров в островок. Помимо соединения кластеров в наноостровки с сохранением структуры первоначальных кластеров, в экспериментах также наблюдалось слияние кластеров в единую структуру, в которой невозможно различить отдельные кластеры. Энергетический барьер, препятствующий слия-21нию кластеров, увеличивается с размеров кластера [33]. Форма получаемых островковможет варьироваться от компактной до дендритной структуры [35, 36].Иногда в этот список включают испарение кластеров с подложки, однако оно оказываетвлияние на процесс роста островков только при высоких температурах [37].Диффундируя по подложке, кластеры могут захватываться естественными или созданными искусственно дефектами подложки, после чего захваченный кластер становится зародышем нового островка.
Такой механизм формирования островков называется гетерогенным.Также существует гомогенный механизм, реализующийся в случае, если кластеры осаждаются на подложку без дефектов. В этом случае кластеры будут диффундировать по подложкедо тех пор, пока не встретят другие кластеры и не сформируют зародыш островка. Свойстваполученной пленки из кластеров, а именно, поверхностная плотность кластеров и островковопределяются конкуренцией между гетерогенным и гомогенным механизмом роста.Механизм чисто гетерогенного роста реализуется, если характерное расстояние междудефектами существенно меньше, чем характерное расстояние между островками при гомогенном росте на чистой подложке. В этом случае формирование островков происходитпреимущественно на дефектах подложки.
Таким образом, можно получить организованный необходимым образом массив островков на подложке, предварительно нанеся дефектына подложку.Как было сказано выше, кластеры диффундируют по подложке. При определенныхусловиях подвижностью обладают и небольшие островки, состоящие из нескольких кластеров. Рассмотрим подробнее различные механизмы диффузии. Рассмотрение начинаетсяс атомных механизмов диффузии, поскольку на них основываются механизмы диффузиикластеров и островков.Атомные механизмы диффузииПоверхностная диффузия может протекать за счет различных атомных механизмов [23].В литературе выделяются следующие механизмы: прыжковый, атомного обмена (механизмобмена местами), туннелирования, вакансионный.Прыжковый механизм — это диффузионный механизм, элементарным актом которогоявляется термически активированный перескок из одного равновесного положения в другое.Эффект можно наблюдать визуально, например, в работе [38] был показан факт наличиятаких перескоков для адатомов азота на поверхности Fe(100).22Механизм атомного обмена включает в себя обмен местами адатома и атома поверхности.
Адатом замещает атом подложки, а высвободившийся атом подложки переходит всоседнее положение адатома. С помощью такого механизма, к примеру, реализуется самодиффузия на поверхностях (110) и (100) металлов Pt и Ir [39]. Если адатомом является чужеродный атом, то атомный обмен приведет к тому, что в результате адатомом станет атомподложки. В работе [40] подобный эффект был исследован экспериментально для адатомавольфрама на поверхности Ir(110).Миграция частицы может происходить за счет туннелирования через диффузионныйбарьер. При достаточно низких температурах механизм туннелирования может доминировать над классическим прыжковым механизмом.
В работе [41] в эксперименте была продемонстрирована диффузия одиночных атомов водорода на Cu(100). При температурах выше60 К преобладала классическая прыжковая диффузия, а при более низких температурахмиграция осуществлялась по механизму квантового туннелирования [23].Вакансионный механизм проявляется, если миграция атомов происходит внутри заполненного атомного поверхностного слоя — в таком случае движение атома управляется образованием и миграцией вакансий. Движение вакансий наблюдалось в работе [42], где вакансиябыла создана искусственно с помощью иглы СТМ на поверхности Ge(111). Гетеродиффузия,основанная на таком же принципе, наблюдалась для атомов In и Pd, встроенных в верхнийатомный слой поверхности Cu(100) [43, 44].Поверхностная диффузия кластеровДвижение кластера может происходить различными способами, которые можно разделить на два основных типа: индивидуальные механизмы, основанные на движении одиночных атомов, и коллективные механизмы, включающие в себя одновременное перемещениегруппы атомов [23].Индивидуальные механизмы движения кластера представлены на рисунке 1.3.
Здесьпоказаны следующие механизмы:– механизм последовательных перемещений, т.е. движение отдельных атомов один задругим;– механизм краевой или периферийной диффузии, в котором перемещение краевых адатомов, вакансий или изломов вдоль края кластера вызывает перемещение центра масскластера;23Рис. 1.3. Индивидуальные механизмы движения кластеров: а — последовательныхперемещений, б — краевой диффузии, в — испарения-конденсации, г — «чехарды».Каждый рисунок иллюстрирует начальную и конечную стадии элементарного процесса. Нарисунках а, б, в показан вид сверху, на рисунке г — вид сбоку [23].– механизм испарения-конденсации, который описывает диффузию кластера за счет обмена атомов между кластером и двумерным газом адатомов; данный механизм может реализовываться как для одного атома (механизм скоррелированного испаренияконденсации или механизм «отделения-присоединения», так и для двух разных атомов,когда один атом покидает кластер, а другой присоединяется к этому же кластеру [45].– механизм «чехарды», в котором один из краевых атомов проходит поверх кластера ивстраивается с противоположной стороны.Согласованные коллективные механизмы движения кластеров описывают ситуацию, когда перемещение кластера происходит за счет одновременного скоррелированного перемещения, по крайней мере, нескольких атомов кластера.
В качестве примера можно привестиследующие механизмы (рисунок 1.4):– механизм скольжения, который относится к случаю, когда кластер скользит как целое;– механизм сдвига, в котором группа атомов (например, один ряд) в кластере совершаетсогласованное движение [46];– механизм переползания, когда происходит последовательный сдвиг соседних участковкластера, что приводит к змееподобному скользящему движению;– дислокационный механизм, относящийся к случаю, когда два соседних участка кластера образуют дефект упаковки и разделены дислокацией несоответствия. Движение одного атомного ряда за другим этой дислокации устраняет дефект упаковки и приводит24Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
