Введение к работе
Актуальность темы. Фундаментальные исследования, направленные на построение новых физических моделей кинетики неидеального адсорбата и роста тонких пленок, а также фазовых переходов в адсорбционных пленках в настоящее время являются важной и актуальной задачей. Проблема представляет большой интерес в связи с современными исследованиями в области вакуумных и аэрокосмических технологий, микро-, опто- и наноэлектроники, физической и аналитической химии, материаловедения, порошковой металлургии. Фундаментальный характер проблемы заключается в необходимости рассмотрения элементарных процессов (адсорбции, десорбции, энергетической релаксации, диффузии, химических реакций), описания сложных физических явлений на границе (поверхностная диффузия, фазовые переходы, неустойчивости, эффекты самоорганизации), построения аналитических моделей, их качественного исследования методами нелинейной динамики. Существующие в настоящее время феноменологические и термодинамические подходы в исследованиии динамики неравновесных процессов на границе раздела газ - твердое тело в ряде случаев оказываются недостаточными для описания широкого спектра физических явлений при взаимодействии молекулярных потоков с поверхностью твердого тела. Поэтому затруднены оценка области применимости различных подходов такого рода, объяснение в их рамках упомянутых выше явлений на границе, описание возможных механизмов образования тонких пленок (послойный, островковый, островково-послойный) и стадий их роста, сравнение с экспериментами по термодесорбции, рассеянию волн и частиц на адсорбционном слое. Все это делает весьма актуальной задачу последовательного и всестороннего изучения динамики межфазных взаимодействий на границе раздела фаз газ - твердое тело на микроскопическом уровне.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка модели зарождения и роста адсорбированной фазы, в рамках которой можно исследовать эволюцию многослойного адсорбата на всех стадиях с учетом основных физических процессов на поверхности в зависимости от значений управляющих параметров, изучать зависимость ростовых процессов от физических параметров
адсорбата, газовой фазы, потока напыляемых частиц, поверхности твердого тела и т.д. Для этого необходимо сформулировать замкнутое кинетическое уравнение для средней заполненности адсорбционной ячеііки, имеющее предельные стационарные и квазистационарные решения, согласующиеся с термодинамикой, и позволяющее рассчитывать параметры растущих пленок методами кинетической теории, не прибегая к феноменологическим представлениям.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
На базе основного кинетического уравнения для вероятностей случайных конфигураций выведена цепочка связанных нелинейных уравнений для многочастичных функций распределения адсорбата, с помощью которой может быть описана кинетика образования и роста тонкой пленки на любой стадии и при любых значениях заполненности. Описание динамики адсорбата на основе предложенной цепочки учитывает такие элементарные процессы на поверхности, как адсорбция, десорбция, латеральная миграция частиц, миграционные, переходы между слоями, а также позволяет учитывать неоднородности потока и подложки, устанавливать связь между макроскопическим поведением системы и ее микроскопическими характеристиками.
Показано, что замкнутое уравнение для локальной плотности адсорбата имеет стационарные решения, которые полностью согласуются с результатами, полученными во второй главе методами равновесной термодинамики. Уравнение позволяет описывать фазовый переход первого рода в адсорбате. Вне области фазового перехода доказано стремление квазистационарных решений к стационарным, исследовано асимптотическое поведение средней толщины адсорбционной пленки и получен линейный закон роста при больших временах, соответствующий епитаксиальному росту пленок и реально наблюдающийся в экспериментах.
Исследование поведения решений континуального уравнения в спинодальной области показало, что в этом случае имеется неустойчивое пространственно-однородное решение, котрое при определенных значениях физических параметров под действием малых возмущений распадается на систему упорядоченных
островков нанометрового диапазона с очень узким распределением по размерам. Эти островки устойчивы на больших временах и не вступают в процесс коалесценции Лифшица-Слезова после остановки роста. Механизмом, ответственным за их образование, является аномальная или восходящая ("uphill") диффузия в спинодальной области. Аналогичные структуры наблюдаются в большом числе экспериментов по эпитаксиальному росту пленок и вакуумному напылению. Подобное явление самоорганизации, которое носит название спи-нодального распада, ранее изучалось теоретически в основном применительно к бинарным расплавам.
В квазиодномерном случае удалось построить аналитическое решение вблизи критической точки и проинтегрировать уравнение численно при произвольных отклонениях управляющих параметров от критического значения. Полученные решения соответствуют "квантовым проволокам". В .двумерном случае также была установлена возможность устойчивых состояний, отвечающих системе самоорганизованных островков. Выла построена кинетическая модель многослойного неидеального адсорбата, численное исследование которой показало возможность перехода от гладкой поверхности пленки к системе устойчивых трехмерных наноостровкоа или "квантовых точек".
Теоретическая и практическая значимость. Разработанный в диссертации подход к описанию адсорбции на твердой поверхности обобщает ряд предложенных ранее моделей конденсации и роста тонких пленок, сочетая в себе строгую обоснованность, согласие с равновесной теорией с одной стороны и возможность описания широкого спектра реально наблюдаемых явлений с другой.
Практическая ценность работы состоит прежде всего в том, что в предложенной модели динамика роста тонкой пленки и морфология поверхности определяются экспериментально управляемыми параметрами. Это имеет большое значение для технологий приготовления поверхностей и поверхностных структур, таких, например, как квантовые точки, использующихся в качестве рабочей области в лазерах, а также в качестве элементной базы развивающейся в последнее время наноэлекгроники.
В свою очередь, качественное согласие предлагаемой теории с экспериментом стимулирует развитие методов численного моделирования процессов зарождения и роста тонких пленок, требующих для детального описания реальных систем значительных машинных ресурсов и осуществимых практически только с использованием мощных суперкомпьютеров.
Апробация работы. Материалы работы были представлены на конференциях:
-
10-th International Conference on Thin Films. - 5-th European Vacuum Conference. September 23-27. 1996. Salamanca. Spain.
-
7-th Symposium on Surface Physics. June 30 - July 4. 1996. Czech Republic.
-
7-th European Conference on Application of Surface and Interface Analysis, Ecassia 97. June 16-20. 1997. Gotheborg. Sweden.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах, список которых приводится в конце автореферата.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Вывод цепочки кинетических уравнений для многочастичных функций распределения; получение на ее основе замкнутой формы уравнения для локальной плотности адсорбата (средней заполненности адсорбционной ячейки).
-
Решение стационарного кинетического уравнения в области термодинамически устойчивых решений; вывод изотермы Фаулера-Гугенгейма и описание фазового перехода первого рода на подложке; построение квазистационарных решений в случае быстрой диффузии.
-
Анализ кинетического уравнения для средней заполненности в спинодаль-ной области; доказательство ляпуновского характера системы и существования периодических решений уравнения для монослойной адсорбции.
-
Построение пространственно-неоднородных решений монослойного кинетического уравнения в спинодальной области в квазиодномерном случае; численный анализ решений в случае многослойного заполнения.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 141 странице, содержит 19 рисунков, 104 библиографических ссылки на литературу и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.