沉积在[bmim]BF4表面Cu薄膜的微观结构及生长机理研究

摘要

本文采用真空热蒸发方法在离子液体[bmim]BF4表面成功制备了具有特征形貌的铜薄膜系统，并对此类薄膜系统的表面形貌、微观结构、成膜机理和粗糙机制进行了分析和研究，得到如下实验结果：⑴当名义厚度d=0.5 nm时，沉积在[bmim]BF4表面的铜原子形成分枝状或网状结构的凝聚体，当d≥1.0 nm时，网状结构的凝聚体中出现了大量准圆形凝聚体;当沉积速率f在0.05 nm/s-1.8 nm/s范围内，铜薄膜样品中观察到了网状凝聚体与准圆形凝聚体共存的形貌。我们认为准圆形凝聚体的出现是由于在沉积过程及沉积结束后组成凝聚体的纳米颗粒的扩散能力发生变化而引起的。进一步研究发现:当f=0.05nm/s时，准圆形凝聚体的最可几直径Φm随名义厚度d的增加而增加，数密度N随d的增加变小，总覆盖率C和d较好地符合e指数关系C∝(1-e-kd);当d=6.0 nm时，准圆形凝聚体的最可几直径Φm随沉积速率f的增加而减小，数密度N基本不随f的变化而改变，总覆盖率C随f增大而减小。我们认为，准圆形凝聚体的粗化长大过程始终存在两种机制，即准圆形凝聚体之间的合并以及准圆形凝聚体俘获沉积原子或原子团簇。⑵采用原子力显微镜(AFM)观察此类铜薄膜系统的微观结构，发现分枝状凝聚体和准圆形凝聚体均由纳米颗粒构成，这些纳米颗粒的大小几乎相等，约为70 nm，且几乎不随薄膜名义厚度d变化;两种凝聚体的平均高度大致相同，并随名义厚度d线性增加。对AFM形貌图进行分析发现:[bmim]BF4表面铜薄膜的生长指数β=0.42±0.02;当名义厚度d=0.5 nm时，粗糙指数α约为0.75，之后随d的增大逐渐增大，当名义厚度d为4.0 nm时，达到1.0，并趋于稳定。研究表明，铜薄膜生长过程中遮蔽效应的变化导致样品从沉积初期的平衡粗糙生长逐渐演变为后期的不规则粗糙生长。 本研究主要内容包括：第一章阐述了薄膜的制备方法、薄膜生长的基本理论及薄膜表面粗糙机制的研究现状，并介绍了液体基底表面金属薄膜的研究进展；第二章介绍了[bmim]BF4表面铜薄膜样品的制备方法；第三章对沉积在[bmim]BF4表面铜薄膜的表面形貌、微观结构和表面动力学标度行为及规律进行了分析和研究；第四章总结全文的主要研究结论，并基于本文的研究结果对有待进一步研究的问题进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 薄膜的制备方法

1．1．1 真空蒸发法

1．1．2 溅射沉积法

1．1．3 化学气相沉积法(CVD)

1．2 薄膜生长的基本理论

1．2．1 扩散成核阶段

1．2．2 薄膜生长阶段

1．2．3 薄膜的三种生长模式

1．3 生长在液体表面金属薄膜的研究进展

1．3．1 硅油基底表面的金属薄膜

1．3．2 离子液体基底表面的金属薄膜

1．4 薄膜的表面粗糙机制研究

1．4．1 薄膜的表面粗糙表征方法

1．4．2 动力学标度行为和表面粗糙机制

1．5 本文研究内容及其意义

2 实验方法

2．1 液体基底材料[bmim]BF4简介

2．2 [bmim]BF4表面铜薄膜样品的制备方法

2．3 AFM样品的制备方法

3 实验结果与分析

3．1 生长在[bmim]BF4表面的铜薄膜的形貌及分析

3．1．1 不同名义厚度下铜薄膜的形貌图

3．1．2 不同沉积速率下铜薄膜的形貌图

3．2 铜薄膜中准圆形凝聚体的粗化机制

3．2．1 不同名义厚度下准圆形凝聚体的统计分布图

3．2．2 准圆形凝聚体的覆盖率随名义厚度的变化

3．2．3 不同沉积速率下准圆形凝聚体的统计分布图

3．2．4 准圆形凝聚体的覆盖率随沉积速率的变化

3．3 [bmim]BF4表面铜薄膜的AFM形貌及分析

3．3．1 不同名义厚度铜薄膜的AFM形貌

3．3．2 铜纳米颗粒的大小统计分布

3．3．3 铜薄膜的平均高度与薄膜名义厚度的关系

3．4 [bmim]BF4表面铜薄膜的生长机理

3．5 [bmim]BF4表面铜薄膜的动力学标度行为和粗糙机制

3．5．1 铜薄膜的动力学标度行为

3．5．2 铜薄膜的表面粗糙机制

4 结论与展望

参考文献

附录：实验材料的主要物理参数