部分电子薄膜材料热力学和动力学研究

摘要

随着电子信息产业（集成电路产业、固体发光产业、激光器件产业和磁记录产业）的迅速发展，半导体和磁性薄膜科学和技术愈来愈受到重视，利用新技术、新方法制备具有特定性能的薄膜材料已经成为当前研究的热点。薄膜材料的微观组织形态显著地影响着薄膜材料的宏观性能，由于薄膜材料的特殊结构，如薄膜和基板接触以及表面效应，使薄膜材料在热力学稳定性和相变过程等方面与体材料有着非常大的区别，传统的热力学和动力学理论在某种程度上并不能很好地适用于薄膜材料。但是目前对于薄膜材料的热力学和动力学的基础研究还不完善。因此，从理论上研究薄膜材料的热力学稳定性和相变过程，对有效地预测薄膜材料的宏观性能，有目的的开发和研制性能优异的半导体和磁性薄膜材料具有重要的理论和实际意义。
　　 本研究的主要工作是针对薄膜材料的特殊结构，通过热力学计算和动力学模拟，研究部分半导体薄膜和磁性薄膜在应力、表面和沉积速度影响下的相平衡、相稳定性和组织结构特征。本研究首先计算了在基板失配应变能和表面能作用下，部分Ⅲ-Ⅴ族半导体和Co基磁性薄膜的相平衡和热力学稳定性。同时，利用相场动力学模型，系统地考察了不同条件下（如沉积速度、初始成分、应力状态、基板和晶界等），薄膜组织形态的演化过程。本研究的主要内容如下:
　　 (1)通过分析薄膜/基板系统的弹性应力和过剩化学自由能，利用自编的程序主要研究了以下内容:
　　 (a)对部分Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜的临界膜厚和弹性应变能进行计算，分析在不同应力状态下薄膜/基板系统的过剩自由能。
　　 (b)计算了部分Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜/基板系统的相平衡，通过对计算结果的分析，研究了弹性应变能、位错能和表面能对薄膜相平衡的影响。
　　 (2)通过考虑bcc、fcc和hcp三种结构薄膜以不同晶面和基板接触时的弹性应变能、表面能和化学自由能，计算系统的总自由能，通过求解自由能的最小值来计算不同温度和厚度下，纯Co薄膜和Co-Cr合金薄膜的不同结构相以不同晶面生长时的热力学稳定性。对几种纯金属薄膜的熔点进行了计算。
　　 (3)利用Cahn-Hilliard相场动力学模型，系统地考察了薄膜沉积过程中自组装多层薄膜结构的微观组织演化，主要包括以下内容:
　　 (a)模拟了在无应力作用下，具有spinodal分解的半导体薄膜在沉积过程中组织演化，首次系统地研究了沉积速度对薄膜中spinodal分解的影响，通过对沉积速度的标准化，得到了初始成分、沉积速度和薄膜组织的关系图，并与实验结果取得了很好的一致性。
　　 (b)通过引入同质基板（基板为spinodal分解的一种平衡相），研究了同质基板对薄膜沉积过程中微观组织的影响。
　　 (c)通过考虑薄膜中两组元之间扩散系数的差异以及薄膜体扩散和表面扩散的差异，研究了扩散系数对薄膜沉积过程中微观组织演化的影响。
　　 (d)采用微观弹性场理论，研究了非均质弹性应力场作用下，沉积速度对薄膜中spinodal分解的影响。
　　 (4)针对实验发现的Co基薄膜中几种典型的微观组织结构，半定量地模拟了Co-V和Co-Cr多晶薄膜中磁性诱发两相分离组织的演化过程，较深入地探讨了晶粒尺寸和晶界扩散对薄膜微观组织的影响。并在组织模拟的基础上，计算了Co基薄膜中几种典型组织的磁化过程和磁滞回线，初步探讨了微观组织结构对多晶薄膜磁学性能的影响。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 电子薄膜材料科学与技术发展现状

1．2 电子薄膜材料科学的理论研究现状

1．3 薄膜材料热力学研究概况

1．4 薄膜材料动力学理论研究概况

1．5 热力学计算和动力学模拟在薄膜材料设计中的应用

1．6 本论文的研究目的及主要内容

参考文献

第二章 薄膜热力学和动力学的主要研究方法

2．1 引言

2．2 热力学模型

2．2．1 纯组元热力学模型

2．2．2 亚正规溶体模型

2．2．3 亚点阵模型

2．2．4 应变能和位错能的计算方法

2．2．5 液相表面张力和固相表面能的计算方法

2．2．6 Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜材料相图的计算模型的建立

2．2．7 薄膜相图的计算过程

2．3 动力学模型

2．3．1 Cahn-Hilliard模型和Allen-Cahn模型

2．3．2 弹性应力场模型

2．3．3 动力学计算中的数值求解

2．4 小结

参考文献

第三章 部分电子薄膜体系热力学性质和相平衡计算

3．1 部分Ⅲ-Ⅴ半导体薄膜的相平衡计算

3．1．1 引言

3．1．2 Al-As-In三元系薄膜的相图计算

3．1．3 Al-As-Sb体系薄膜的相图计算

3．1．4 Ga-In-Sb体系薄膜的相图计算

3．1．5 Al-In-Sb体系薄膜的相图计算

3．1．6 Al-In-P体系薄膜的相图计算

3．2 Co基薄膜结构和相稳定性的计算

3．2．1 引言

3．2．1 Co基薄膜热力学模型

3．2．2 纯Co薄膜热力学稳定性的计算

3．2．3 Co-Cr薄膜结构稳定性的计算

3．3 部分纯金属薄膜熔点的预测

3．4 小结

参考文献

第四章 沉积速度对spinodal分解型薄膜微观组织的影响

4．1 无应力场时薄膜生长速度对薄膜微观组织结构的影响

4．1．1 引言

4．1．2 无应力薄膜材料生长过程的相场模拟

4．1．3 模拟结果

4．1．4 分析与讨论

4．2 无应力场作用下基板对薄膜微观组织结构的影响

4．3 无应力场作用下扩散系数对薄膜微观组织结构的影响

4．3．1 模拟结果

4．3．2 分析和讨论

4．4 应力场作用下生长速度对薄膜微观组织结构的影响

4．4．1 异质材料弹性场和相场计算模型

4．4．2 模拟结果

4．4．3 分析和讨论

4．5 小结

参考文献

第五章 磁性薄膜中的铁磁顺磁转变的相场模拟

5．1 引言

5．2 Co基磁记录薄膜的合金设计原理和实验信息

5．3 Co-V磁性薄膜微观组织的相场动力学模拟

5．3．1 Co-V薄膜的实验信息和相场动力学模型

5．3．2 模拟结果

5．3．3 分析与讨论

5．4 Co-Cr薄膜微观组织的相场动力学模拟

5．4．1 Co-Cr薄膜的实验信息和相场动力学模型

5．4．2 模拟结果与讨论

5．5 不同微观组织磁学性能的计算

5．5．1 磁化过程的计算模型

5．5．2 计算结果和讨论

5．6 小结

参考文献

第六章 总结

附录

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致谢