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            薄膜生长第03章_图文

            薄膜与表面物理

            第三章 晶体表面原子结构

            3.1 晶体表面原子结构
            理想晶体被一个几何面切断后将形 成一个理想表面-无杂质、无缺陷、无 吸附、无驰豫、无再构。各种理想晶面 的原子排列,原则上都可以从三维晶体 结构导出。面心立方结构(fcc)和体心立 方结构(bcc)各种低指数面的表面原子结 构如下页图所示。

            理 想 晶 体 表 面 原 子 结 构

            3.1.1 理想晶体表面原子结构
            空心圆为第一层原子,阴影圆 为第二层原子,黑圆为第三层原子。
            由 图 可 见 , 面 心 立 方 (fcc) 结 构 表 面 原 子 密 度 最 大 的 是 (111) 面 , (100)次之,(110)面最低。体心立方 (bcc)结构原子密度最大的是(110)面, (100)次之, (111)面最低。

            3.1.1 晶体表面原子结构
            对同一晶体,切法不同时,会 产生不同取向的理想表面,它们的 原子结构、原子配位数(最近邻原子 数)以及相应的断键情况都是不一样 的。这种理想的表面可以是晶体的 最密排面,也可以是次密排面。

            3.1.1 晶体表面原子结构
            但在?#23548;?#20013;通常是偏离密排 面一个小小角度的邻晶面(vicinal surface)。可?#26434;?#21488;阶-台面-扭折 模型描述邻晶面的原子结构。

            晶 体 表 面 原 子 结 构

            3.1.2 驰豫与再构
            晶体表面一般都有缺陷,还会发生 驰豫和再构。如果不是清洁表面,会产 生吸附,等?#21462;?br />最常见的驰豫形式是在表面的法线 方向上发生压缩或扩张,即表面第一层 原子与第二层原子的间距d’与体内两层原 子的间距不同,见图2.9.3(a)。

            3.1.2 驰豫与再构
            另一种驰豫是第一层原子位移 后,与第二层原子的间距改变为u (图b)。
            表面发生原子重新排列的现象
            叫再构(图c、d) 。再构后表面的平
            移对称性,转动对称性和配位数都 不同于体内。

            3.1.2 驰豫与再构
            驰豫与再构并不截然分开,而 是常常同时发生。发生这些原子排 列畸变都使体?#30340;?#37327;降低,达到一 个新的稳定平衡态。驰豫和再构除 依赖于晶体种类外,还随表面成分、 化学计量比和温?#32570;?#21270;而变化。

            3.3 表面的台面-台阶-扭折(TLK)结构
            晶体中有密排原子面、次密排原 子面等,称为低密勒指数面。如简单 立方(sc)晶体的低密勒指数面(按密排 次序)为(100)、(110)、(111)?#21462;J导?的 面 心 立 方 (fcc) 金 属 ( 基 元 为 一 个 原 子)的低密勒指数面(按密排次序)是 (111)、(100)、(110)?#21462;?br />
            3.3 表面的台面-台阶-扭折(TLK)结构
            晶面间距愈大意味着原子面 愈密排,这样才能保持原子体积 始终不变(原子在晶面上所占面 积乘以晶面间距等于原子体积)。

            3.3 表面的台面-台阶-扭折(TLK)结构
            密排面是表面能最低的面。晶 体被一个几何面切断后将形成的理 想表面,可以是晶体的最密排面, 也可以是次密排面。但?#23548;?#20013;工作 我们得到的通常是偏离密排面一个 小小角度的表面,我们称之为邻晶 面。

            3.3 表面的台面-台阶-扭折(TLK)结构 在?#23548;?#20013;邻晶面是不可避免的。例
            如半导体外延工艺首先要用 X 射线衍射 测定单晶体衬底晶向,按这晶向切割成 衬底晶片,再?#24515;ァ?#25243;光后才能使用。 目前X 射线单晶定向的误差约为 1’ ,切 割、?#24515;ァ?#25243;光又产生一定误差。若要 求得到(100)晶面,而?#23548;实?#21040;的是偏离 (100)晶面大于1’ 的邻晶面。

            3.3 表面的台面-台阶-扭折(TLK)结构
            下图是一个理想邻晶面的示意图。 偏离θ角,具有单原子高度,单调上升。

            3.3 表面的台面-台阶-扭折(TLK)结构 若邻晶面上的原子全部准确地落在
            由该晶面指数所规定的几何面上,则由 此引起的晶格畸变就会很大,使体系的 表面?#26434;?#33021;增大。从能量的观点考虑, 这是不利的。反之,若邻晶面上的原子 并不准确地落在该几何面上,而?#20999;?#25104; 多个台面和台阶,则可避免过分的晶格 畸变。

            3

            .

            3

            (TLK)

            折表





            结 构

            台 面 台



            --



            3.3 表面的台面-台阶-扭折(TLK)结构
            这种由台面(terrace)和台阶(ledge)组 成的邻晶面结构,称之为 TL 结构。
            台面就是就是其表面?#26434;?#33021;与该邻 晶面相近的密排面,这样可以较大降低 表面能。在这调整过程中,表面的总面 积虽增加了,但表面和体系的总能量反 而会减少,所以仍是有利。

            3.3 表面的台面-台阶-扭折(TLK)结构
            具有一定高度的台阶把两个 台面分开。大多数情况下,台阶 具有单原子层高度,但也可以使 两个或多个。台阶可以是整齐的, 也可以是不整齐的。如下页图所 示。

            3

            .

            3

            (TLK)

            折表





            结 构

            台 面 台



            --



            3.3 表面的台面-台阶-扭折(TLK)结构
            如果在另一个方向上也有倾?#20445;?则沿台阶将周期地出现扭折(kink)。 扭折之间的台阶长度也和倾斜的角 度有?#26434;?#20851;系。偏离低密勒指数面 的角度愈小,台面宽度和扭折间的 台阶长度愈大。由台面、台阶、扭 折组成的结构称为TLK结构。

            3

            .

            3

            (TLK)

            折表





            结 构

            台 面 台



            --



            3

            .

            3

            (TLK)

            折表





            结 构

            台 面 台



            --



            3

            .

            3

            (TLK)

            折表





            结 构

            台 面 台



            --



            3.3 表面的台面-台阶-扭折(TLK)结构
            为 了 说 明 表 面 的 TLK 结 构 , 它 们可以标记为:
            m(hkl) × n(h’k’l’) -[uvw] 表示它由(hkl) 台面和(h’k’l’) 台阶组 成,台面和台阶的宽度分别为m个n 个晶列宽,台阶方向为[uvw]。

            3.4 邻晶面上原子的近邻数
            在邻晶面上有不同的原子位置: 台面内、台阶内、扭折处、台阶边上、 台面上等位置,它们的最近邻数在简 单立方(sc)晶体的(100)邻晶面中分别是 5,4,3,2 和 1;在面心立方金属(fcc) 晶体的(111)邻晶面中上述位置的配位 数分别是9,7,6,5和3(见P.89图5.2)。

            3.4 邻晶面上原子的近邻数
            这些位置中的扭折位置具有重要 性,一个原因是因为该处较易成核; 另一个原因是因为它的最近邻数、次 近邻数、以及第三近邻数均为体内原 子各近邻数的一半,可以很方便地利 用升华热估算扭折处原子的结合能。

            3.4 邻晶面上原子的近邻数
            表 3.5 给出不同晶体密排台阶上扭折位置的 第一、第二、第三近邻数Z’1,Z’2,Z’3。

            3.4 邻晶面上原子的近邻数
            如果已知原子间的对势 (如 Lennard-Jones 势 ) , 根 据 上 述 第 一 、 二 、 三近邻数就可以比较精确地计算出扭折 处原子的结合能。
            也可?#26434;?#23454;验方法测定表面扭折处 原子的结合能Ek,和由升华热导出的晶 体中原子的结合能Ec比较。

            3.4 邻晶面上原子的近邻数
            在实验上可用脉冲激光辐照低 温针尖的表面,原子从扭折处和台 阶处不断蒸发(此时孤立的增原子 可以忽?#22278;?#35745;),其?#24515;?#37327;最大的 原子是扭折处出来的原子,它们的 速度最大(为什么?)。

            3.4 邻晶面上原子的近邻数
            利用“场离子显微-原子探 针”?#38469;?#21487;以测定上述场蒸发离 子的飞行时间谱,从飞行时间谱 的起点(最短飞行时间)可以得到 速度最大的扭折处原子的结合能。 表3.6给出了一些数据。

            3.4 邻晶面上原子的近邻数
            从此表中可看出实验测得的结 合能和理论计算结果符合得很好。

            3.6 台阶和台面的粗糙化
            台?#36164;?#20302;密勒指数面上的一条连 续线,线的两侧是两个低指数面(台 面),两晶面间可?#26434;?#21333;原子或多原 子高度差,而台阶之间则由一定宽 度的台面隔开。在0K,理想的台阶 可以是一条直线(直线台阶),但温度 升高后,原子热振动加剧,引起涨

            3.6 台阶和台面的粗糙化
            落,原子从台阶上不断地向外扩散, 台阶不再是一条直线,变为凹凸不 平的曲线,出现扭折对。扭折产生 后上述过程还可以继续沿台阶发生, 使正负扭折对的距离扩大。
            在温度更高时,台阶线上的扭 折还可以不断地向内侧?#30001;歟?#20351;台

            3.6 台阶和台面的粗糙化
            阶线的弯曲程度不断增大。温度 的增大不仅使台阶蜿蜒、粗糙化, 从台阶扭折处扩散出的原子,以 及台面上不断增多的表面空位和 增原子,最后使台面、以至整个 表面粗糙化。

            台 阶 蜿 蜒 和 台 面 的 粗 糙 化



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