《表面过程机理》PPT课件

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1、6表面过程机理气-固转化晶体生长最重要的步骤：原子或分子撞击到生长表面上；被吸附或被反射回气相；被吸附物之间发生表面反应形成成晶粒子；成晶粒子通过二维扩散迁徙在适当格点位置上并入晶格。这些步骤的机理、它们的相互关系及其对淀积参数的依赖性，决定着淀积物的生长习性和质量(化学组成及结构完善性)，从而决定了固体材料的物理性能。气相生长理论对工艺实践起有益的指导作用。6．1固体表面的结构状况6.1.1固体的表面形貌化学气相淀积是发生在固体表面上的气-固多相催化过程。因此，有关固体表面的知识，特别是其结构状况，对于理解和认识化学气相淀积的微观过程是不可缺少的。通过现代实验技术(如低能电子衍射(LEE

2、D)和场离子显微镜(FIM)技术)的研究，获悉表面是原子级有序的，且大多数表面原子都占据在周期性排列的平衡位置上。表面上有很大数目的原子格位，其近邻原子的数目（配位数）不同，但是原子级有序仍占主导地位。晶体表面结构晶体表面结构，一般如图5-1所示，即表面是由低密勒指数的台地和单原子高度的棱阶组成。在棱阶上有若干弯结位置，表面原子可以在弯结上，也可以在棱阶上，或者吸附在台地平面上，称为附着原子。图5-1原子级固体表面模型棱阶附着原子附着原子单原子棱阶台地空位扭折台地晶体表面结构原子可以通过表面扩散从一种位置迁移到另一种位置。表面原子的束缚能近似地与其最近邻和次近邻原子数成正比，因而在棱阶上的

3、原子比台地上的附着原子键合的更牢固。平衡时，这些不同状态的表面原子都有一定的浓度，束缚能最大的将占优势(因而台地附着原子的浓度非常小)。该模型称为台地-棱阶-弯结（Terrace－Ledge-Kink）模型(简称TLK模型)。该模型已广泛用于讨论晶体生长、气化、溶解和表面扩散等问题。图5-1原子级固体表面模型棱阶附着原子附着原子单原子棱阶台地空位扭折台地晶体表面结构－台阶面对高指数晶面进行低能电子衍射研究的结果表明，这些晶面的结构特征是几个原子宽的台地周期性地被单原子高度的台阶所分隔，即呈台阶状的原子级表面结构。图5-2单晶铂台阶状表面——晶体表面结构－单晶铂台阶状表面图5-2单晶铂台阶状

4、表面——图5-2单晶铂台阶状表面——图5-2单晶铂台阶状表面例如，金属铂单晶的(755)晶面[它由面心立方的(111)面向(100)方向偏9.5°切割而成]就具有如图5-2所示的台阶状结构。这种台阶状结构可表示成Pt（s）-[6(111)×(100)]。其中s指成阶的铂表面；6是以原子列数表示的台地宽度；(111)为台地平面的取向；(100)表示台阶取向是(100)，高度为一个原子。换句话说，其原子级平整的台地为(111)面，它被(100)取向的、高度为一个原子的台阶所分隔，台地平均宽度为6个原子晶体表面结构－阶梯面的表示符号阶梯表面一般用符号表示。在台阶为单原子高度的情况下，n＝1可以省

5、略。已研究过的高指数晶面大都呈现相当的热稳定性，即使在真空中加热到1100℃，表面结构也觉察不出有什么破坏。离子轰击后，接着退火，仍能得到台阶状结构。化学吸附氢，氧或碳氢化合物后，其洁净的阶梯表面结构特征仍然可以再生。发现在金属或半导体表面上也存在这种有序的台阶，表明台阶面是一切高密勒指数晶面的特征。6.1.2．表面晶体结构－表面驰豫与表面重建低能电子衍射研究指出，晶体的表面网格结构并不一定跟体晶胞的投影完全一致。由于表面原子的特殊力学状态，第一层原子相对于表层下的体原子，产生了某种程度的向外膨胀或向内收缩，即表面驰豫。另外，例如Si的(111)面，在370℃以上会得到一种不同于室温下的衍

6、射斑点。如果我们用Si(111)-(1×1)表示正常的表面结构(单位网格为体晶胞的投影)，则新出现的衍射斑点相应于平行(1×1)表面网格，而尺寸是正常表面结构的七倍，可用符号Si(111)-(7×7)表示。这种表面单位网格不同于单晶内部体晶胞的现象称为“表面重建”或“表面重构”表面晶体结构－表面重建表面重建作用不仅跟温度有关，而且也与表面的化学环境有关。例如上述Si(111)面，在25℃温度下解体，具有(2×1)表面结构；加热到370～400℃时表面结构发生变化，Monch[Adv.SolidStatePhys.,13(1973)241]认为(2×1)结构转化成了(7×7)表面结构，即(1

7、11)晶面的稳定结构。但Joyce[SurfaceSci.,35(1973)1]发现，在有Fe、Ni等痕量杂质存在时，(2×1)结构在400℃时首先转化成（1×1）结构，加热到700℃时才形成(7×7)结构。这足以证明稳定的(1×1)结构转变成(7×7)结构的温度与表面上杂质的性质和数量有关。发现硅的其它晶面、锗、砷化镓及其它III-V族化合物半导体的各种晶面也都有这种重建现象。表面晶体结构－表面重建重建现象不难理解，固