 |
Процесс зародышеобразования
|
|
|
|
ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЫ С ПОМОЩЬЮ ЗОНДА ЛЕНГМЮРА
КУРСОВАЯ РАБОТА
студента 3 курса 321 группы направления 22.03.01
«Материаловедение и технологии материалов»
факультета нано - и биомедицинских технологий
Тимошенко Владислава Александровича
Научный руководитель
| И.В. Синев | ||||
| должность, уч. степень, уч. звание | подпись, дата | инициалы, фамилия |
Зав. кафедрой
| профессор, д.ф.-м.н. | С.Б. Вениг | |||
| должность, уч. степень, уч. звание | подпись, дата | инициалы, фамилия |
Саратов 2015
СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ. 2
ВВЕДЕНИЕ. 3
1 Зародышеобразование. 4
1.1 Процесс зародышеобразования. 5
1.2 Этапы формирования тонких пленок. 8
2 Тонкие пленки. 11
2.1 Основные параметры и свойства тонких пленок. 13
2.2 Пленки диоксида олова. 18
3 Методы диагностики плазмы.. 22
3.1 Зонд Ленгмюра. 24
4 Разработка программы для диагностики плазмы в LabVIEW... 29
5 Оборудование, образцы и методика измерений. 34
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 35
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 36
ВВЕДЕНИЕ
Зародышеобразование
Зародышеобразование — это первая по времени наступления стадия фазового перехода. На ней образуется основное число устойчиво растущих зародышей новой, стабильной фазы из исходной метастабильной фазы. Начало этой стадии вызвано внешними факторами, создающими метастабильность, а окончание — снижением степени метастабильности. Следующей за стадией нуклеации является стадия коллапса, на которой происходит дальнейший рост зародышей новой фазы при практически неизменном их количестве. Нуклеация бывает двух типов гомогенная и гетерогенная.
Гомогенная нуклеация — флуктационное возникновение зародышей новой фазы в исходной в отсутствие примесей. При метастабильности исходной фазы часть зародышей успевает достичь размеров, начиная с которых они растут уже необратимо, делаясь центрами конденсации новой фазы. Гомогенная нуклеация наблюдается, как правило, в системах прошедших предварительную очистку от посторонних частиц. Наибольший интерес представляет стадия нуклеации в гетерогенных системах, таких как пересыщенный пар и присутствующие в его объёме инородные частицы. На гетерогенных центрах начинают зарождаться капли. Частица может быть заряженной или нейтральной, полностью или частично растворяться в конденсирующемся на ней водяном паре, поверхность нерастворимого гетерогенного центра может являться полностью или частично смачиваемой. Наконец, критический размер капли при нуклеации на смачиваемых центрах может определяться тонкой или толстой жидкой плёнкой. От этих, заранее неизвестных параметров, существенным образом зависят характеристики процесса нуклеации, такие как число образующихся капель, их средний размер, время продолжительности стадии (рисунок 1).
|
|
|
Рисунок 1 – График зависимости гетерогенного и гомогенного процессов зарождения центров жидкой фазы от коэффициента пересыщения
При увеличении размера частицы критический размер капли при нуклеации на смачиваемых центрах определяется более толстыми пленками [1].
Процесс зародышеобразования
Адсорбированные атомы могут мигрировать по поверхности и, сталкиваясь с другими атомами, образуют малые частицы (кластеры) – зародышы. Они, по сравнению с отдельными атомами, должны быть более устойчивы к повторному испарению. В большинстве теорий постулируется, что как только зародыш достигнет определенной критической величины, в среднем, он уже не распадается на отдельные атомы, а растет. Существуют две основные теории зародышеобразования в тонких пленках, основанные на капиллярной и атомной моделях, которые отличаются в подходе к вычислению энергии образования зародышей. Существует и третья заслуживающая внимания модель, в которой подчеркивается возможность испарения кластеров с подложки. Капиллярная модель предсказывает, что изменение свободной энергии при образовании зародыша имеет максимум, то есть зародыш по мере роста и прохождения через критический размер имеет минимум устойчивости по отношении к диссоциации в паровую фазу. Максимум свободной энергии получается в результате конкуренции двух параметров: очень большого отношения поверхности к объему в малых зародышах, из-за которого их устойчивость уменьшается и наличия энергии конденсации, увеличивающей устойчивость зародышей с увеличением их размера. Таким образом, зародыши, превысившие критический размер, быстро повышают свою устойчивость с каждым присоединенным атомом, и процесс их разрушения и испарения становиться маловероятным. На процесс повторного испарения очевидно определяющим образом влияет температура подложки, если нет других энергетических воздействий на поверхность. В эксперименте соответствующую температуру при которой начинает наблюдаться конденсат называют критической Т0. При Т < Т0 среднее время жизни адсорбированного атома настолько велико, что все атомы попадающие на подложку, захватываются устойчивыми зародышами и конденсация с самого начала является полной. Поэтому, зависимость массы конденсата от времени с момента начала процесса нанесения пленки будет линейной (рисунок 2)
|
|
|
Рисунок 2 – Зависимость массы сконденсировавшегося вещества
от времени при разных температурах подложки
Рисунок 3 – Зависимость свободной энергии образования
зародыша от его размера
При увеличении температуры подложки степень пересыщения понижается, среднее время жизни адсорбированного атома уменьшается, а коэффициент поверхностной диффузии адатомов увеличивается. Размер критического зародыша и зернистость пленки сильно зависят от природы металла. Для тугоплавких металлов (с высокой температурой кипения), таких как W, Mo, Ta, Pt и Ni, даже очень маленькие зародыши являются устойчивыми. У металлов с низкой температурой кипения, таких как Cd, Mg, и Zn, зародыши должны стать достаточно большими, прежде чем они станут устойчивыми, их устойчивость с увеличением размера растет очень медленно, диссоциация или повторное испарение при этом остаются вероятными. Критические зародыши должны иметь большие размеры, если поверхностная энергия конденсируемого материала велика, а материала подложки мала [2].
|
|
|
Чем сильнее связь между атомами и подложкой, тем меньше критический зародыш и тем больше частота зародышеобразования. Увеличение температуры подложки приведет к увеличению размера критического зародыша. Кроме того, островковая структура будет сохраняться до больших средних толщин, чем те, которые соответствуют низким температурам. Увеличение скорости осаждения приводит к увеличению скорости зародышеобразования и к образованию более мелких островков. Непрерывная пленка образуется при меньших толщинах.
|
|
|
