Реферат: Закономерности образования и роста покрытий

- взаимодействие зародышей между собой и их слияние (коалесценция);

- образование сплошного покрытия и его дальнейший рост.

Каждая из этих стадий характеризуется особенностями структурного состояния, и кинетика их протекания оказывают влияние на свойства формируемых покрытий.

1.2 Адсорбция и образование зародышей конденсированной фазы

В результате взаимодействия атомов потока с поверхностью, протекающих при этом процессов энергообмена определенная их часть адсорбируется. При этом плотность адсорбированных атомов n_а , ат./м² , зависит от плотности потока атомов j, ат./(м² с), взаимодействующих с поверхностью, и определяется вероятностью десорбции атомов. Вероятность десорбции атомов

Ŵ= n_а /t_а ,

где t_а =t_о exp(E_а /kT)– время жизни в адсорбированном состоянии, t_о =10^-13 …10^-12 с; E_а – энергия связи с поверхностью; k – постоянная Больцмана.

Тогда изменение плотности адсорбированных атомов за дифференциальное малое время dt

dn_а = jdt - n_а dt/t_a . (2.1)

Уравнение (2.1) составлено на основании закона сохранения массы: количество адсорбированных атомов равно разности числа атомов jdt, поступающих на поверхность за время dt, и атомов, перешедших за это время обратно в газовую фазу.

Решением дифференциального уравнения (2.1) при начальном условии n_a (t=0) = 0 является выражение

(2.2)

Для начальных стадий осаждения (t<<ф_a ) можно принять, что

Тогда на основании (2.2) получим n_a =jt . Таким образом, при малых временах осаждения наблюдается линейное возрастание плотности адсорбированных атомов в процессе осаждения.

На поздних стадиях роста, при t>>ф_a из (2.2) получим n_a =j ф_a . Следовательно, при таких режимах адсорбционная фаза характеризуется равновесной плотностью, зависящей только от j и t_{а .} При прекращении поступления атомов на поверхность происходит их десорбция, и через время t_а они все покинут поверхность.

При некоторых относительно высоких значениях плотности адсорбционной фазы происходит зародышеобразование конденсированной фазы. В общем случае возможны два основных механизма образования зародышей.

Первый механизм – образование зародышей вследствие флуктуации плотности адсорбированных атомов. В соответствии с данным механизмом образование устойчивых частиц происходит в результате случайного взаимодействия на поверхности атомов между собой, приводящего к возникновению достаточно больших по размеру и устойчивых при данных условиях ассоциатов.

Второй основной механизм – зародышеобразование на дефектах, участках поверхности с более высоким потенциалом взаимодействия. Закрепленные на поверхностном дефекте атомы последовательно присоединяют к себе диффундирующие частицы, и в результате формируется система стабильных ассоциатов, плотность которых и их поверхностное распределение коррелирует с параметрами поверхностной дефектности.

Считается, что зародышеобразование вследствие флуктуации плотности адсорбированных атомов наиболее вероятно при осаждении на поверхность, имеющую низкую температуру. При высокой температуре поверхности и относительно низкой плотности потока поступающих на поверхность атомов зародышеобразование проявляется преимущественно на дефектах. При определенных условиях и режимах процесса осаждения первый и второй механизмы могут протекать одновременно.

Для описания процессов роста зародышей используют различные подходы: термодинамический, молекулярно-кинетический, статистический, квантовый и др. В термодинамической теории зародыш критического размера рассматривается как микрочастица конденсированной фазы, имеющая наиболее высокую энергию Гиббса G (рисунок 2.3), и дальнейший ее рост сопровождается снижением энергии, т. е. является наиболее вероятным процессом.

В случае сферической частицы значение свободной энергии Гиббса можно представить как сумму ее поверхностной и объемной составляющих:

G=4рR³ /3 - 4рR^{2 ,} (2.3)

где - удельная объемная свободная энергия; - поверхностная энергия; R- размер частиц.

Критическому размеру зародыша R_кр , как уже отмечалось, соответствует максимуму свободной энергии. Тогда для R=R_кр выполняется условие

d (G)/ dR=0.

После дифференцирования (7.3) получим уравнение , в результате решения которого имеем R_кр = 2/.

Оценки показывают, что при низкой температуре конденсации критический размер зародыша может составлять R_кр = (5…10)^. 10^-10 м, т.е. иметь размеры нескольких атомов. Отметим, что в этом случае при присоединении следующего атома ДG будет изменяться дискретно. Вместе с тем термодинамическая теория предполагает непрерывное изменение поверхностной энергии и свободной энергии Гиббса. Следовательно, для описания частиц малого размера это условие не всегда выполняется. По этой причине более строгой и универсальной является статистическая теория зародышеобразования. В данной теории, исходя из параметров межатомного взаимодействия отдельных атомов, особенностей их поведения определяются вероятности роста и распада кластеров. К недостаткам данной теории можно отнести сложность расчета кластеров, состоящих из 6 и более атомов.