薄膜生长中的表面动力学间题
Surface Kinetics in Thin Film Growth
王恩哥 （中国科学院物理研究所）
[摘自2002科学发展报告]
摘要
For decades research on thin-film growth has attracted
a lot of attention as this kind of materials has the
potential in the new generation device application. It
is known that the nuclei at initial stage of the islands
are more stable than others and certain atoms are inert
while others are active. In this Paper, the author shows
that, when a surfactant layer is used to mediate the
growth, a counter-intuitive fractal-to-compact island
shape transition can be induced by increasing deposition
flux or decreasing growth temperature.Specifically, a
reaction limited aggregation(RLA) theory is proposed,
where the physical process controlling the island shape
transition is the shielding effect of adatoms stuck onto
stable islands on the incoming adatoms.Furthermore,the
author will study the decay characteristics of islands
on surface, as the stability of nanostructures after
their creation is a critical issue for nanotechnology.
Here the author shows the fundamental mechanisms of
atomic scale mass transport on surfaces with regard
to the instability of surface nanostructures.
最近50年来，各种新材料、新工艺、新型功能电子器件的研制，
涉及到很多固相反应、热处理、化学合成、多相催化、陶瓷半导
化、电磁耦合振荡等效应，表面物理学科学在以扫描隧道电镜为
代表的先进分析技术的支撑下，对这些问题进行了深入研究，成
为物理科学中非常活跃的分支学科。
表面物理很重要的领域之一是研究材料表面原子的排列及运
动模式。近年来，由于高技术产品朝轻薄短小发展，特别是微电
子工业和光电子工业对器件性能要求越来越复杂，对器件尺寸要
求越来越小，表面纳米结构成为开拓新一代功能器件的研究前沿。
从技术应用来看，人造器件的物理性质完全依赖于纳米结构的形
状、尺寸及分布。对各种制造工艺的控制和改进必须依赖对原子
水平上薄膜生长中各种复杂原子动力学过程的了解，因此，研究
薄膜生长过程中的表面动力学问题对于生长初期纳米结构的形成
和控制十分重要，这方面的基础研究成果将促进新一代微电子和
光电子工业技术的发展。
１．反应限制集聚理论
在异质外延（衬底B上生长材料B）生长中，由于应力的存在
往往会导致三维的岛状生长，因此给出晶态不好的粗糙薄膜。
1989年，Copel等人发现在硅表面上长锗时，如果先在衬底表面铺
满一层砷，则会获得质量较好的一层层外延膜。后来人们通常把
砷的这种作用称为“表面活性剂”。之后在不同的金属和半导体
系统中，发现了许多具有类似性质的表面活性剂。
过去10年来的理论和实验研究主要集中在为什么表面活性剂
会改变生长模式，即从三维的岛状生长变为二维的层状生长，很
少有人研究表面活性剂对原子核的作用。事实上，生长初期原子
形核、集聚成岛的过程对生长模式的改变影响十分大，后来的研
究发现这种作用在制备较厚的膜甚至是多层膜时都非常重要。这
方面研究的进展对理解表面活性剂的作用规律有直接帮助。
最近，Hwang等人利用扫描隧道显微镜系统研究了在表面活性
剂铅的作用下，锗在硅表面上生长的二维原子形核规律。结果发现，
原子岛在低温或高束流情况下为紧致状，而在高温或低束流下为分
形状。这与传统的扩散限制集聚理论（DLA）完全矛盾。
为了研究表面活性剂对原子形核的作用规律，我们提出了一个
完整的反应限制集聚理论（RLA）。这个理论考虑了三个基本的物
理过程：①外延原子在表面活性剂原子层上的扩散；②外延原子与
表面活性剂原子交换，因此形成一个核；③后续原子粘到核边上后，
需要克服一个排斥作用而加入这个核，从而使原子岛长大。这个排
斥势相当于一个壳层屏蔽效应，正是由于这个屏蔽作用随温度或粒
子束变化表现出强弱不同，最后导致实验中观察到的原子集聚反常
现象。在这个理论基础上，我们首先进行了动力学蒙特卡罗计算。
为了使这个理论得到进一步完善，我们考虑了更多的物理细节。
如在不同的衬底表面生长，改变势垒参数范围，考虑沉积原子在表
面活性剂上成核和粘在稳定岛边缘的原子可以再离开，多个原子同
时交换成核，以及进行速率方程解析求解等。所有这些讨论都进一
步验证了反应限制集聚理论在解决表面活性剂作用下二维成核规律
的正确性。
我们还研究了吸附控制的原子岛形状转变规律和潜能的转化对
原子岛形状演变的控制，对控制表面上纳米结构的形状和分布有了
更多的认识。
2．表面纳米结构的稳定性
纳米结构一旦制备之后，其稳定性问题是发展器件研究的关键。
这项工作涉及到原子在岛内的热激活过程以及离开岛的扩散通道。最
近的实验研究发现，在某些金属（如Cu和Ag）的（111）和（100）表
面，三维纳米结构的退化过程是完全不同的。在（111）表面，三维
岛退化时保持岛的斜率不变;在（100）表面，退化时岛的斜率迅速增
大。显然这些退化过程对应着不同的原子扩散机制。
我们提出了一个扩散通道决定退化机制模型。这里存在着两种不
同的原子层间交换机制:①多位置质量传输机制，即原子可以从上层周
边的任何位置翻过台阶到下层来;②选择位置质量传输机制，即原子只
能从上层周边的某些位置（如角）翻过台阶到下层来。这种不同的层
间质量传输机制会导致不同的三维岛退化过程。如果原子可以从某一
层的任何位置翻跃台阶到下一层去，这个岛在退化的过程中会保持一
个优化的斜率，同时各个层的台阶宽度也会保持一致。相反，如果原
子仅从某些位置离开并翻跃台阶到下一层，这个岛在退化中斜率会不
断增大。这种新的扩散通道决定退化过程的机制可以解释目前的实验
观察现象。
3．展 望
纳米结构在表面上的形成与退化机理研究为新一代微电子和光电子
器件开发应用奠定了基础。利用扫描隧道显微镜技术和理论分析，可以
在原子水平上了解纳米结构在表面衰变过程的动力学机制，最终达到实
观控制这些微观过程的目的。这对纳米结构制蚤和纳米技术应用都具有
重要的意义。可以预计，更多、更深入的表面物理研究将推动纳米材料
研究与产业化。
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