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出版者:Springer Verlag

作者:Herman, Marian A./ Richter, Wolfgang/ Sitter, Helmut

出品人:

页数:350

译者:

出版时间:

价格:179

装帧:HRD

isbn号码:9783540678212

丛书系列:

图书标签:

• Epitaxy
• Thin Films
• Materials Science
• Semiconductors
• Crystal Growth
• Surface Science
• Nanotechnology
• Heterostructures
• Molecular Beam Epitaxy
• Chemical Vapor Deposition

《晶体生长与界面物理》 第一章 导论：材料科学的基石 本章首先勾勒出固体物理、材料科学以及凝聚态物理学的宏大图景，明确了探索物质微观结构与宏观性能之间内在联系的重要性。我们将深入探讨晶体作为一类特殊物质形态的结构特征、对称性原理及其在现代科技中的不可替代性。 晶体的形成是自然界中能量最低、结构最有序状态的体现。本章会系统阐述晶体生长的基本驱动力，包括热力学平衡态的构建，以及动力学过程在实现长程有序结构中所扮演的关键角色。我们将回顾晶体学的基本概念，如晶格、晶胞、布拉维点阵以及密勒指数（Miller Indices），这些是描述和理解晶体表面形貌、缺陷结构以及外延生长取向的语言基础。 材料的性能往往由其微观结构决定。因此，本章将重点剖析晶体缺陷——点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界、堆垛层错）——的形成机制、对材料机械、电学和光学性能的影响。只有充分理解缺陷的本质，才能在材料设计和制备过程中进行有效的调控。 第二章 表面科学与原子尺度构筑 晶体生长本质上是一个表面现象的累积过程。本章将转入对固体表面微观物理和化学性质的深入研究。表面原子由于缺乏相邻的配位原子，其能量状态显著高于体相原子，这导致了表面重构、表面吸附和表面扩散等一系列独特的物理化学过程。 我们将详细介绍表面结构表征的关键技术，如低能电子衍射（LEED）用于确定表面晶格结构，以及扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）如何提供原子尺度的形貌和电子态信息。这些工具是理解生长动力学的“眼睛”。 表面吸附是所有薄膜生长过程的起始步骤。本章会分析不同类型原子与晶体表面之间的相互作用——包括物理吸附和化学吸附，以及吸附能、覆盖度与温度之间的关系。理解吸附原子的表面迁移率（Surface Diffusion）是预测薄膜成核与生长模式的物理前提。表面扩散的激活能、路径依赖性以及与其他原子的相互作用，共同决定了原子如何在表面上找到最优的低能位置。 第三章 成核与生长动力学：构建薄膜的蓝图 薄膜的宏观厚度和质量，直接取决于其在原子尺度上的成核（Nucleation）和随后的二维或三维生长过程。本章的核心是阐释这些动力学模型。 3.1 成核理论 我们将对比经典成核理论（CNT）与更适用于原子尺度沉积的量子成核模型。重点讨论临界成核尺寸、成核密度（Nucleation Density）与沉积速率、温度之间的复杂关系。了解如何通过控制成核参数来调控最终薄膜的晶粒尺寸和缺陷密度至关重要。 3.2 生长模式的分类与识别 晶体生长模式是描述新材料如何沉积在衬底上的基本分类。本章系统介绍四种主要的生长模式： 1. 岛状生长（Island Growth，或称Volmer-Weber, VW模式）： 当衬底与沉积物间的界面能过高时发生，导致形成不连续的纳米岛。 2. 层状生长（Layer-by-Layer Growth，或称Frank-van der Merwe, FM模式）： 理想的理想情况，沉积物与衬底具有高度的相容性，形成连续的单层或多层。 3. 初始层状后岛状生长（Stranski-Krastanov, SK模式）： 常见于存在显著晶格失配或应力累积的情况，先形成一层或几层致密的二维层，随后通过应力驱动形成三维量子点结构。 4. 埋藏生长模式：在某些特殊的化学气相沉积（CVD）环境中，原子可能直接在衬底内部扩散并形成新的界面。 每种生长模式的发生条件（包括界面能、应变能和表面张力的平衡）都将被详细分析。 第四章 应变工程与晶格失配效应 在异质结构（Heterostructures）中，由于组成材料的晶格常数或热膨胀系数不匹配而引入的内部应力是影响材料性能的关键因素。本章专注于应变对晶体生长和材料特性的影响。 4.1 弹性理论与应变储存 我们将引入弹性理论的基本概念，计算晶格失配引入的应变场分布。重点分析应变在界面处的积累过程，以及临界厚度（Critical Thickness）的概念——这是薄膜从二维弹性生长转变为引入位错（应变松弛）的关键转折点。 4.2 缺陷的形成与演化 位错的引入是材料体系释放内部应力的一种主要方式。本章会深入探讨位错的类型（如螺型位错、刃型位错及其混合型），它们如何从衬底或沉积层内部成核，并延伸到薄膜中。界面上的位错密度直接决定了界面电子态的质量和载流子散射率。 4.3 应对应变调控：缓冲层与超晶格 为了在不引入过多缺陷的情况下利用应变效应（如应变硅技术），需要设计巧妙的缓冲层（Buffer Layers）策略来逐步调和晶格失配。此外，本章还将介绍超晶格（Superlattices）的概念，即周期性地交替沉积两种不同材料，人为地创造出具有新颖电子或声子特性的复合周期结构，实现对电子能带结构和光学响应的精细调控。 第五章 影响薄膜质量的生长技术 本章将从实验技术角度，介绍几种主要的晶体生长方法，并探讨环境参数（如温度、压力、气氛、源材料纯度）如何影响最终薄膜的质量和结构。 5.1 物理气相沉积（PVD） 详细介绍溅射（Sputtering）和分子束外延（MBE）。MBE因其超高真空环境和对原子束流的精确控制能力，成为研究表面动力学的“黄金标准”。我们将分析MBE中源原子通量的调控、基底温度对吸附和扩散的影响，以及如何利用它们来实现原子层级的控制。 5.2 化学气相沉积（CVD）及其变体 CVD依靠化学反应在衬底表面形成薄膜。本章将探讨热CVD、等离子体增强CVD（PECVD）以及原子层沉积（ALD）。特别强调ALD的自限制性表面反应机制，它如何保证极高的厚度均匀性和优异的保形覆盖能力，使其成为制备高深宽比结构的理想技术。 5.3 溶液法与水热合成 对于氧化物、硫化物等材料体系，溶液辅助生长提供了在较低温度下制备高质量晶体的途径。本章将概述溶剂热法和水热法中，溶液的化学势、pH值和过饱和度如何控制成核速率和晶体的最终形貌。 第六章 界面工程：功能集成与维度控制 现代器件的性能越来越依赖于精确控制不同材料之间的界面。本章聚焦于界面处的物理化学相互作用及其对器件性能的实际影响。 6.1 界面电子结构 当两种不同材料接触时，费米能级会发生重排，形成肖特基势垒或能带偏移。我们将利用能带图（Band Diagrams）来分析界面处的电荷转移、界面态的产生，以及这些态如何影响载流子的注入、传输和复合效率。 6.2 维度受限效应 晶体尺寸减小到纳米尺度时，材料的物理性质会发生显著变化。本章将探讨二维材料（如二维过渡金属硫族化合物）、一维纳米线以及零维量子点中，量子限制效应如何改变电子能带结构、激子结合能和光学吸收边。理解这些维度依赖性是设计下一代光电器件的基础。 结论：展望未来晶体生长的前沿 本章对全书内容进行总结，强调了通过理解和调控原子尺度的生长动力学，人类已经能够设计出具有特定宏观功能的先进材料。最后，展望了未来晶体生长领域亟待解决的关键科学问题，包括复杂材料的无缺陷生长、动态过程中的原位表征技术突破，以及实现功能性异质结构按需构建的智能化控制。

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