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一旦原子团中的原子数超过某一临界值，原 子团进一步与其它吸附原子碰撞结合，从而 向着长大方向发展而形成稳定的原子团。含 有临界值原子数的原子团称为临界核，而稳 定的原子团称为稳定的临界核。这就是临界 核的形成。
核形成过程若在均匀相中进行则称为均匀成 核；若在非均匀相或不同相中进行则称为非 均匀成核。
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12.2.1.2多晶结构
多晶薄膜是通过岛状结构生长起来。由于 各岛的生长方向不同，形成的晶粒不同， 晶粒之间存在交界面，谓之晶界或晶粒间 界
在多晶薄膜中，晶界结构对薄膜的各种物 理、化学性质有非常重要的影响
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12.2.1.3纤维结构
具有纤维结构的薄膜是其晶粒有择优取向的 薄膜。纤维结构的出现可以在成核阶段、生 长阶段，也可以在退火过程中。
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12.2.3表面结构
从热力学能量理论分析，薄膜为使其总能量 达到最低，应该保持尽可能小的表面积，即 是应该为理想的平面。
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12.2.3表面结构
由于原子的表面迁移，在某种程度上，薄膜表 面上的谷被填充，峰被削平，导致薄膜表面面 积不断缩小，表面能逐步被降低。除此之外， 由于吸附原子在表面上扩散迁移，还能使一些 低能晶面得到发展。但是在表面原子扩散作用 下，生长最快的晶面会消耗生长较慢的晶面， 导致薄膜表面粗糙度又进一步增大。
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12.2 薄膜的结构与缺陷
12.2.1薄膜的组织结构 12.2.1.1非晶态结构或玻璃态结构 非晶态结构是薄膜原子排列的无序结构
在固体薄膜中，原子排列的无序并不是绝 对的“混乱”，而是破坏了有序系统的某 些对称性，形成一种有缺陷、不完整的有 序，即存在短程（在2~3个原子距离内） 有序性，而不存在长程有序性，这就是非 晶态薄膜原子结构的特征。
12.2.2薄膜的晶体结构
在大多数情况下，薄膜中晶粒的晶体结构与同 种块状晶体的是相同的，所不同的可能是： （1）薄膜中晶粒取向和晶粒大小可能不同于 块状晶体。 （2）薄膜中晶粒的晶格常数也常常不同于块 状晶体。出现这种情况的原因有两个：一个是 薄膜材料本身的晶格常数与基片的不匹配；另 一个是薄膜中有较大的内应力和表面能，使晶 格发生畸变。
第十二章低维材料结构
本章提要
本章简要介绍薄膜的形成、结构与缺陷、表面 界面、尺寸效应、以及薄膜的附着和内应力等 内容。重点掌握薄膜的组织结构、晶体结构、 表面界面结构、表面点缺陷、以及尺寸效应。
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薄膜的定义
（1）薄膜是两个几何学平面向所夹的物 质，即在二维空间扩展，呈很薄的形态
（2）薄膜的厚度，其尺寸范围从几个纳 米到几十微米。 ① ≤1μm的膜谓之薄膜 ② ＞1μm的膜为厚膜
在沟道和连续膜形成阶段，由于核或岛的接高表面曲率区域，即沉积。此 时表面逐渐变得很平滑，使薄膜的总表面自由 能达到最小。
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12.1.2薄膜形成的理论基础
（1）热力学界面能理论（成核和毛细作用理 论）；
（2）原子聚集理论（统计理论）。
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12.1.2.1热力学界面能理论
随着沉积的进行，在沟道中发生二次和三次成 核，当核长大到和沟道边缘接触时，就连接到 薄膜上。结果是大多数沟道被消除，薄膜变为 连续的并含有很多不规则孔洞
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12.1.1.4连续膜的形成
在沟道和孔洞消除之后，再入射到基片表面上 的气相原子便直接吸附在薄膜上，通过接合而 形成均匀连续膜。通常认为90%或者更多的基 片表面被覆盖，仅有很窄的沟道形式的空洞。 这时薄膜形成进入了连续膜的阶段
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12.1.1.2岛的长大与结合
（1）岛状阶段 临界稳定核形成后，再捕获其他吸附原子， 或者与入射气相原子相结合使它进一步长大 成为小岛。
（2）结合阶段
随着岛不断长大，岛间距离逐渐减小，最后 相邻小岛可以互相联结合并为一个大岛，这 就是岛的结合
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12.1.1.3沟道薄膜的形成 在岛接合以后，新岛进一步生长过程中，它 的形状变为圆形的倾向减小。同时在新岛进 一步接合的地方继续发生较大的变形。岛被 拉长，连接成网状结构的薄膜，这种结构遍 布不规则的窄形沟道（出现在岛的接合部）
在玻璃基片上的ZnO压电薄膜是纤维结构薄 膜的典型代表。在这种薄膜中，属于六方晶 系的各个微小晶粒的C轴都垂直于基片表面 而择优取向。
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12.2.1.4单晶结构
单晶结构薄膜的特征是薄膜中原子排列有序， 制备单晶结构薄膜的难度大，通常采用外延生 长法（薄膜呈单晶状生长）制备薄膜。
外延生长的基本条件： （1）吸附原子必须有较高的表面扩散速率， 这样基片温度和沉积速率就相当重要。 （2）晶格匹配，它是指基片与薄膜材料的结 晶相容性。设基片单晶的晶格常数为a，单晶薄 膜的为b，晶格失配度m=(b-a)/a。m越小，一般 说外延生长就越容易。 （3）基片表面清洁、光滑和化学稳定性好 16
集体
（2）临界核 （3）临界核密度 （4）成核速率：取决于临界核密度，核捕获范围及吸
附原子向临界核运动速度
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两种成核理论比较：
①两种理论依据的基本概念是相同的，所得到 的成核速率计算公式的形式也相同。所不同之 处是两者使用的能量不同和所用的模型不同。
②热力学界面能理论（毛细作用理论）适合于 描述大尺寸临界核。因此，对于凝聚自由能较 小的材料或者在过饱和度较小的情况下进行沉 淀，这种理论是比较适宜的。 对于小尺寸临界核，则原子聚集理论模型 （统计理论）比较适宜。
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12.1 薄膜的形成
12.1.1薄膜的形成过程 薄膜形成的顺序为(真空蒸发法）：
具有一定能量的原子被基片吸附→形成 小原子团→临界核→小岛→大岛→岛结 合→沟道薄膜→连续薄膜。
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12.1.1.1临界核的形成
被吸附在基片表面上的气相原子进行扩散 迁移，当原子迁移到基片表面台阶或缺陷 处，便容易停留在该处。在原子迁移过程 中，可能遇到同类原子，相互碰撞而结合 在一起。特别是在表面台阶和缺陷附近， 遇到的几率更大，这样就形成原子团。
基本思想是将一般气体在固体表面上凝结 成微液滴的核形成理论应用到薄膜形成过 程中的成核研究。
“凝结成微液滴”意味着在薄膜形成过程中首 先有一个热蒸发原子入射到基片表面后，从 气相到吸附相，再到凝结相的相变过程，称 之为凝结过程。
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12.1.2.2原子聚集理论（统计理论）
原子聚集理论的基本思路 （1）原子团：把原子团看作是宏观分子，或大分子聚