Инвариантная во времени эволюция шероховатости поверхности при осаждении тонких пленок при атмосферном давлении

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 19888 (2016) Цитировать эту статью

1165 Доступов

12 цитат

Подробности о метриках

Эволюцию морфологии тонких пленок при осаждении при атмосферном давлении изучали с использованием методов Монте-Карло. Независимая от времени среднеквадратическая шероховатость и локальная морфология шероховатости наблюдались при использовании нового параметра моделирования, моделирующего влияние экспериментальных условий высокого давления. Этот режим роста, при котором шероховатость поверхности остается неизменной после достижения критического значения, не отнесен ни к одному существующему классу универсальности. Механизм роста, препятствующий затенению, ответственный за этот режим, возникает, когда частицы подвергаются бинарным столкновениям под вершинами поверхности. Следовательно, этот механизм применим, когда длина свободного пробега осаждающихся частиц сравнима с амплитудой поверхностных особенностей. С помощью вычислений это было смоделировано путем разрешения частицам менять направление на заданной высоте над локальной поверхностью пленки. Эта модификация траектории входящего потока, следовательно, имеет драматический эффект сглаживания, и полученные поверхности выглядят в соответствии с недавними экспериментальными наблюдениями.

Морфологическая эволюция растущих слоев материала представляет постоянный интерес научного сообщества как с теоретической, так и с практической точки зрения1,2,3,4,5. Интерес возрастает из-за существенного влияния морфологии поверхности на оптические, электрические и механические свойства пленки. Естественно, было разработано множество методов, помогающих охарактеризовать и предсказать морфологию. Среди них масштабные соотношения, включающие измеримые характеристики поверхности, такие как среднеквадратическая шероховатость ω, обладают сильной предсказательной силой, не затрагивая подробные свойства рассматриваемого материала. Эти отношения приводят к появлению показателей масштабирования, которые могут иметь только определенный набор значений, зависящий от размерности и симметрии динамики роста. Более того, эти показатели позволяют отнести, казалось бы, несвязанное явление роста к одному и тому же классу универсальности. Рост в классе универсальности предсказуем и допускает надежное изготовление поверхностей1,2,3,6.

Особый интерес представляют показатель шероховатости α и показатель роста β. Последнее возникает из соотношения ω(t) ~ tβ, где ω(t) = 〈[h(r′, t) − 〈h(t)〉]2〉 и h(r, t) — высота поверхности в позиции r в момент времени t. Первое описывает локальное поведение, придающее шероховатость, и его можно определить, сначала рассмотрев корреляционную функцию высоты-высоты (HHCF):

где 〈···〉 обозначает среднее статистическое значение. Для задач роста самоаффинной поверхности эта функция ведет себя как

где

Здесь ξ обозначает максимальную горизонтальную длину, при которой коррелируют высоты поверхности, определяемую масштабным соотношением ξ ~ tβ/α 2,3. Значение α не так неуловимо, как кажется математически; α описывает частоту локальных колебаний высоты, причем значение, близкое к единице, соответствует медленной колеблющейся поверхности, а значение, близкое к нулю, соответствует быстрой колеблющейся поверхности6,7. Знание условий эксперимента, при которых эти показатели сохраняют определенное значение, позволяет получать пленки с предсказуемыми морфологическими свойствами.

Недавний анализ кремнийорганических пленок, выращенных с использованием плазменного химического осаждения из паровой фазы (CVD) при атмосферном давлении, показывает, что полученные поверхности обладают уникальными характеристиками масштабирования, в отличие от любых предыдущих универсальных классов8,9. А именно, изотропные поверхности имели независимую от времени шероховатость поверхности, характеризуемую β ≈ 0 и постоянным α. Полное описание осаждения можно найти в ссылках8,10,11. Одним из важнейших аспектов этой работы была среда высокого давления, в которой проводились осаждения. Условия высокого давления не были включены в предыдущие теоретические работы, предсказывающие шероховатость поверхности как функцию экспериментальных параметров. В последующем обсуждении методы Монте-Карло используются для изучения возможного механизма роста, который может создать неизменную во времени шероховатость, наблюдаемую во время осаждения под высоким давлением. Следующий предлагаемый механизм способен объяснить существенные особенности осаждения при атмосферном давлении.