薄膜生長模式

薄膜生長模式（Modes of thin-film growth）指的是薄膜在材料表面的外延成長中不同的生長機制，由恩斯特·鮑爾於1958年系統化地歸納為三大類型：島狀生長模式（即Volmer-Weber模式）、層狀生長模式（即Frank–van der Merwe模式）和島狀/層狀生長模式（即斯特蘭斯基－克拉斯坦諾夫模式）。

三種基本的薄膜生長模式：（a）島狀生長模式（Volmer-Weber模式，或VM模式）；（b）層狀生長模式（Frank–van der Merwe模式，或FM模式）和（c）島狀/層狀生長模式（Stranski–Krastanov模式，或SK模式）。Θ表示不同的表面覆蓋度。

島狀生長模式

層狀生長模式

島狀/層狀生長模式

基本生長模式

島狀生長模式

島狀生長模式又稱Volmer-Weber模式、VM模式，得名於馬克斯·福爾默和A. 韋伯。在島狀生長中，薄膜原子相互之間的束縛力強於襯底對薄膜原子的束縛力，導致薄膜原子在襯底表面直接成核生長出三維的原子島。大部分薄膜都是呈島狀生長的。

層狀生長模式

層狀生長模式又稱Frank–van der Merwe模式、FM模式，得名於弗雷德里克·查爾斯·弗蘭克和Jan H van der Merwe。在層狀生長中，襯底對薄膜原子的束縛力強於薄膜原子之間的作用力，導致薄膜遵循嚴格的二維生長——即直到完全生長完一層，下一層才開始生長。層狀生長模式在PbSe/PbS、Au/Pd、Fe/Cu等系統中有出現。

島狀/層狀生長模式

主條目：斯特蘭斯基－克拉斯坦諾夫生長

島狀/層狀生長模式又稱斯特蘭斯基－克拉斯坦諾夫模式、SK模式，得名於伊萬·斯特蘭斯基和 Lyubomir Krastanov。島狀/層狀生長模式介於島狀生長模式與層狀生長模式之間：在襯底上以二維方式生長一定厚度的薄膜之後，會開始以三維形式生長原子島。島狀/層狀生長模式在Cd/W、Cd/Ge等系統中出現。

理論解釋

不同的薄膜生長模式取決於薄膜和襯底材料表面的化學與物理性質，例如表面張力和晶格係數，可通過考慮距離表面最近的幾層原子的化學勢來確定生長機制。1995年，伊萬·馬爾可夫提出原子層內單原子的化學勢模型：

$\mu (n)=\mu _{\infty }+[\varphi _{a}-\varphi _{a}'(n)+\varepsilon _{d}(n)+\varepsilon _{e}(n)]$

其中 $\mu _{\infty }$ 表示吸附材料的體化學勢（bulk chemical potential），$\varphi _{a}$ 表示浸潤層吸附原子的脫附能（desorption energy），$\varphi _{a}'(n)$ 表示襯底吸附原子的脫附能，$\varepsilon _{d}(n)$ 表示每個原子的位錯錯配能（misfit dislocation energy），$\varepsilon _{e}(n)$ 表示每個原子的同質應變能（homogeneous strain energy）。在一般情況下，$\varphi _{a}$、$\varphi _{a}'(n)$、$\varepsilon _{d}(n)$ 和 $\varepsilon _{e}(n)$ 的值與薄膜的厚度，以及襯底和薄膜之間的位錯有着極為複雜的關係。在應變很小的情況下（即 $\varepsilon _{d,e}(n)\ll \mu _{\infty }$），薄膜的生長模式取決於 ${\frac {d\mu }{dn}}$ 的值：

• 島狀生長模式：${\frac {d\mu }{dn}}<0$ （表層原子的凝聚力強於襯底表面的黏附力）
• 層狀生長模式：${\frac {d\mu }{dn}}>0$ （襯底表面的黏附力強於表層原子的凝聚力）
• 島狀/層狀生長模式：原始襯底上的生長模式為層狀生長模式（即 ${\frac {d\mu }{dn}}>0$）；當後來生長的薄膜達到某個臨界厚度時，在薄膜上繼續生長薄膜將出現 ${\frac {d\mu }{dn}}<0$ 的情況，即生長模式轉變為島狀生長模式。

實驗測量

在實際的科學實驗中，可以運用多種手段判斷薄膜生長的模式，包括透射電子顯微鏡或掃描隧道顯微鏡（直接測量表面形貌），低能電子衍射或反射式高能電子衍射（通過測量衍射強度的振盪），以及俄歇電子能譜。