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基底的诸多特性对沉积其上的金属原子的扩散及凝聚行为有着重要的影响。无论是固相还是液相基底,基底温度是影响原子团簇的形成及形貌的重要因素。当固相基底温度升高或降低时,基底的微观结构(如晶格常数,表面缺陷等)也随之发生改变,沉积原子的扩散系数发生变化,从而影响原子团簇的生长全过程:液相材料的诸多物理特性(如表面张力,粘滞系数等)对温度变化十分敏感,因此可以预期:液相基底温度对原子团簇的生长过程可产生更明显的影响。
本论文采用真空热蒸发方法在液相基底(硅油)表面制备银原子团簇及薄膜系统,并系统研究了液相基底温度对银原子团簇(或凝聚体)形成机理所产生的影响;在微米及亚微米尺度内,探测到了银原子分枝状团簇中分枝的微观结构。
在普通的载玻片上置一直径约为1.0 mm数量级的硅油液滴,作为液相基底,然后采用真空热蒸发方法在基底表面沉积一定名义厚度的银原子。我们发现一个有趣的实验现象:在沉积过程和沉积结束之后,沉积银原子及其团簇不断向样品边缘扩散。研究表明,在液滴表面张力及界面能的共同作用下,硅油液滴一般呈现中间厚边缘薄的不均匀分布;由于硅油分子的流动性依赖于硅油层本身的厚度,当硅油层厚度减小时,硅油分子的流动性减小,其粘滞系数增大,从而降低了银原子及其团簇的迁移(或扩散)能力,导致银原子团簇向样品边缘区域不断扩散和聚集。
实验研究发现:当硅油基底温度升高时,沉积银原子及其团簇的凝聚过程仍基本符合二阶段生长模型;由于原子团簇不断向样品边缘定向扩散,样品中心区域的团簇(或凝聚体)的覆盖率比边缘的相应值小;样品中心区域的凝聚体覆盖率先随薄膜名义厚度的增加而迅速增大,然后逐渐趋于饱和,覆盖率趋于饱和时所对应的膜厚值随基底温度的升高而降低;对于一定的薄膜名义厚度,硅油基底温度越高,中心区域的凝聚体覆盖率越小。银原子凝聚体的分枝平均长度随基底温度的演化过程也具有类似的规律。
原子力显微镜(AFM)表面分析结果显示:用光学显微镜所观察到的准圆形团簇和分枝状凝聚体的分枝均是由一颗颗更小(~50nm)的团簇组成的。该实验结果与磁性铁薄膜的原子力显微镜分析结论一致。
本文各章节主要内容安排如下:
第一章:概述了固相基底表面团簇及薄膜系统的研究现状;并对液相基底表面沉积薄膜的研究历史及最新进展作了综合性的论述。
第二章:研究了沉积在硅油液滴表面的银原子团簇(或凝聚体)的形成机理;并对银原子及其团簇向样品边缘扩散的物理机制进行了解释。
第三章:在硅油基底温度变化的情况下,系统研究了沉积银原子及其团簇的凝聚过程和团簇形貌特征;在微米及亚微米尺度内,采用原子力显微镜(AFM)研究了沉积银原子团簇(或凝聚体)的微观结构特征。