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薄膜界面应力分类

已有 5678 次阅读 2010-7-22 14:38 |个人分类:薄膜|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 应力, 薄膜界面

    界面(interface)有很多种,比如固体-液体界面,固体-气体界面,固体-固体界面,等等。材料生长领域,不同的制备方法需要考虑不同的界面,从而建立不同的理论模型来描述生长过程。对于我常用的物理真空法生长(磁控溅射、PLD),固体-固体界面是主要分析对象。
    考虑固体-固体界面常常需要考虑界面应力。在该类型界面中,界面应力可以分为三类:1)外延应力;2)热应力;3)本征应力。对于薄膜工作者,第一项和第二项都比较好理解。1)外延应力就是指薄膜与衬底的晶格不匹配,在实现外延生长时候,界面原子层受到拉升、压缩的应力,在自由能的表达式中表现为弹性能的变化。2)热应力,顾名思义,与温度变化有关。一般来说,界面两边材料的热膨胀系数等与温度相关的参数不匹配,因此,温度的变化会导致晶格匹配程度的变化,从而产生应力。以上两种应力分别于晶格参数、热膨胀系数相关,其本质都是界面两边材料的匹配问题。
    第三类:本征应力比较难于理解。其定义为在薄膜改变密度的过程中产生的对自身的应力(密度改变的地方不在界面上)。个人认为括号内的内容是关键。举个例子来帮助理解这一个概念:在晶粒生长的多晶薄膜中,晶粒的长大意味着很多晶界的消失。考虑到在晶界处晶体密度比在晶粒内部要低,因此晶粒长大的同时密度上升。随之而来的是晶体本身的收缩,在界面处产生应力。应力产生在界面处,形成原因在晶体本身内部。个人认为这一过程在化学法生长薄膜,以及退火处理过程中具有价值。

    顺便列出一些常用英文短语:
a)  stress: force per area
     interface stresses :epitaxial stress/thermal stress/intrinsic stress   三种应力
     compressive stress  压应力     tensile stress    张应力       extrusion stress  挤压应力     shear force 剪切力
b)  应力产生应变:strain: movement per force (大家不要搞混了)
     e.g. tensile strain
c)  Elastic Modulus 弹性模量   E=stress/strain


References:
R.C. CAMMARATA, Journal of Electronic Materials, Vol. 26, No. 9, 966 1997
http://physics.tamuk.edu/~suson/html/1401/stress.html




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