薄膜的表面界面和尺寸效应.ppt

第十二章低维材料结构第十二章低维材料结构12.1.2薄膜形成的理论基础12.1.2.1热力学界面能理论（1）热力学概念（2）临界核尺寸当向球帽形核加入新的原子时，核的体积自由能变化图12.2总自由能变化与核半径r的关系曲线①当原子团半径r<r*时，原子团是不稳定的，具有很高的分解几率，这时原子团中的原子有分解成单个原子的倾向；当r>r*时，则随半径的增加而能量减少，所以原子团将长大，变成稳定的核。（3）成核率12.1.2.2原子聚集理论（统计理论）①两种理论依据的基本概念是相同的，所得到的成核速率计算公式的形式也相同。所不同之处是两者使用的能量不同和所用的模型不同。
②热力学界面能理论（毛细作用理论）适合于描述大尺寸临界核。因此，对于凝聚自由能较小的材料或者在过饱和度较小的情况下进行沉淀，这种理论是比较适宜的。
对于小尺寸临界核，则原子聚集理论模型（统计理论）比较适宜。12.2.1薄膜的组织结构12.2.1.1非晶态结构或玻璃态结构12.2.1.2多晶结构12.2.1.3纤维结构12.2.1.4单晶结构在大多数情况下，薄膜中晶粒的晶体结构与同种块状晶体的是相同的，所不同的可能是：
（1）薄膜中晶粒取向和晶粒大小可能不同于块状晶体。
（2）薄膜中晶粒的晶格常数也常常不同于块状晶体。出现这种情况的原因有两个：一个是薄膜材料本身的晶格常数与基片的不匹配；另一个是薄膜中有较大的内应力和表面能12.2.3表面结构12.2.3表面结构在基片温度较低的情况下，吸附原子在表面上扩散运动的能量小，原子迁移速率小，所得薄膜的表面积大，并随膜厚成线性增加。这样，薄膜表面将比较粗糙。图12.3Cu薄膜的表面积和粗糙度因子与膜厚的关系12.2.4薄膜的缺陷12.2.4.1点缺陷图12.4表面点缺陷12.2.4.2位错12.2.4.3其它缺陷12.2.5薄膜的异常结构和非理想化学计量比非理想化学计量比12.3薄膜的表面和界面（2）薄膜的界面

界面两边物质的成份或者结构不同，界面处的原子排列情况和电子结构也不同于体内。显然，薄膜界面的结构往往对薄膜本身的结构有显著的影响。并且，界面通常是杂质、缺陷的富集区。

薄膜的界面是通过材料接触形成的。在界面处存在着两个材料（同质或异质材料）之间的原子交换，即相互之间的扩散。这种扩散改变着相互间的结构和性质。12.3.1表面态和表面空间电荷层12.3.1表面态和表面空间电荷层图12.5几种表面结构的示意图图12.6硅的共价键示意图表面态的产生原因，除了晶格在表面的突然终止外，还有表面结构的缺陷和杂质，以及表面吸附外来原子等。

清洁表面的电子态称为本征表面态；

表面吸附外来原子或表面的不完整性（缺陷、台阶、杂质）都会产生表面态，称为非本征表面态，如吸附表面态。由于表面态的存在，电子在体内态和表面态之间的转移，通常会在表面产生一层表面电荷，它们将产生一个垂直表面的电场。为了屏蔽这个电场，在半导体或电介质的表面形成一个相当宽度的空间电荷层。在空间电荷区中能带发生弯曲，以适应体内态和表面态之间有足够的载流子转移来屏蔽表面电场图12.7半导体近表面的能带图当薄膜为n型半导体时，nb>pb，12.3.2表面势垒金属的表面势垒，由三个部分组成：3.3.1界面结构3.3.2界面特性（1）逸出功与电子亲和势图12.9金属与n型半导体接触前后的能带图。
(a)接触前；(b)接触后①金属与n型半导体接触（3）金属与介质接触②电子电导情形12.4薄膜的尺寸效应（1）对于输运性质，相关的尺寸包括德布罗意波长，平均自由程，标识电子局域化的各种尺度以及磁场中的回旋半径。
（2）在磁性体系中，相关的尺度是交换作用的范围，它是原子间距的量级。
（3）在铁电体中，相关的尺寸是铁电临界尺寸，其与居里温度、铁电相变、铁电畴等密切相关。
（4）在超导体中，有两个相关的尺度：London穿透深度和相干长度。12.4.2金属薄膜的尺寸效应4.2.1经典尺寸效应12.4.2.2量子尺寸效应图12.10费米能级EF与膜厚d的关系