Phase formation and crystal growth – theory and experiment доц. Михаил Михайлов 0888. 226790 gsm dr. Michail Michailov

Настоящият курс лекции представлява въведение във физиката на фазовите преходи със специализация в областта на термодинамиката и кинетиката на явленията в кристалния растеж, структурата и свойствата на повърхностите, междуфазовите граници и наноразмерните системи. Представените лекции имат за цел да развият основните познания в областта на физиката на кондензираното състояние като очертаят връзката и приложението им в някои от най-модерните области на съвременното материалознание: наноматериали, епитаксиални слоеве, атомни темплейти, моделиране на квантови атомни ансамбли, каталитични свойства. В основната си част курсът следва едно от най-важните постижения на съвременната физика, а именно екзотичната възможност кристалните структури да бъдат манипулирани на атомно равнище и така да бъдат създавани физически обекти реално несъществуващи в природата, но притежаващи уникални свойства. В тази връзка курсът е организиран методологично в две направления. В първото от тях, след въвеждане на принципите на класическата термодинамика и статистическата физика, теоретично са разгледани основните процеси и явления във фазообразуването, включващи двумерни фазови преходи, зародишообразуване, механизми на кристален растеж, термодинамични и структурни свойства на междуфазовите граници, растеж на тънки епитаксиални филми, формиране на атомни свръхрешетки, квантови клъстери, компютърно моделиране на процеси и явления в реални физически системи.

Във второто, експериментално направление на курса са представени класическите и съвременни методи и инструменти за анализ на структурата и свойствата на материали. Специално внимание е отделено на повърхността на силиций, както и на различните индустриални методи за растеж на силициеви кристали. Механизмите на кристален растеж са показани с помощта на отражателна електронна микроскопия – растеж чрез движение на стъпала, растеж чрез двумерно зародишообразуване, нормален растеж, спирален растеж. Разглеждат се методи за получаване на чисти кристални повърхности и методи за отлагане на тънки филми – растеж от газова фаза. Разглеждат се дифракционни методи за анализ на структурата и свойствата на кристални повърхности – LEED и RHEED. Основно внимание е обърнато на енергийно-дисперсивния метод и на вълново-дисперсивния метод за елементен анализ.

Представеният курс лекции е предназначен за студенти, докторанти, специализанти и изследователи в областите физика, химия, инженерни науки, материалознание и нанотехнологии.

Abstract

The course is prepared in two mutually dependent parts. The first, devoted to the classical thermodynamics and statistical physics, deals with theoretical background of phase formation, two-dimensional phase transitions, nucleation, mechanisms of crystal growth, thermodynamics of interfaces, growth of thin epitaxial layers, formation of atomic superstructures, quantum clusters and quantum wires, computer modeling of structures and properties of real physical system. The second part presents state of the art experimental methods and instruments for structural analysis in material science. In line with modern theory, variety of mechanisms of crystal growth are demonstrated by reflection electron microscopy observations of atomic steps, atomic terraces, two-dimensional nucleation and growth of atomic layers, normal and spiral growth of crystals. Diversity of methods for preparation of bare crystal surfaces is presented. Special discussion takes note of the structure and physical properties of silicon crystals. Diffraction methods for structural and elemental analysis of crystals along with practical studies in electron spectroscopy laboratory are included.

1. Принципи на феноменологичната термодинамика. Ентропия. Термодинамични функции. Съотношения на Максуел. Принципи на статистическата термодинамика.

2. Теоретични основи на фазовите преходи,. Класификация на Еренфест. Термодинамични флуктуации.

3. Непрекъснати фазови преходи. Теория на Landau. Симетрии, критични явления, и корелационна функция. Скейлинг и универсални експоненти.

4. Процеси на зародишообразуване в хомогенни и хетерогенни системи. Нестационарни ефекти.

5. Термодинамика и кинетика на малки фази. Наноразмерни ефекти. Физически характеристики на наноразмерни системи

6. Основни механизми на кристален растеж: зародишообразувателен, нормален и дислокационен механизъм. Кинетика срещу термодинамика в кристалния растеж.

7. Термодинамично равновесие. Равновесни форми на кристалите, теорема на Gibbs-Curie-Wulf, Кристали върху чужди подложки.

8. Динамика и нестабилности в кристалния растеж. Теория на Mullins и Sekerka. Дендритен растеж.

Повърхности и междуфазови граници

9. Структура и свойства на чисти кристални повърхности. Реконструкция, релаксация, дефекти и дислокации. Гладки и вицинални повърхности.

10. Междуатомни взаимодействия и потенциали. Близко- и далеко-действащи сили. Осцилиращи взаимодействия. Външни полета.

11. Елементарни процеси на растеж и разграждане на кристали. Кинкове, атомни стъпала, тераси. Равновесна и кинетична грапавост на кристална повърхност.

12. Епитаксиални интерфейси. Решетъчни несъответствия. Основни механизми на растеж на тънки епитаксиални слоеве. Активни центрове.

13. Процеси на масов транспорт. Дифузия на атоми и клъстери на междуфазови граници. Явления на двумерно атомно смесване на епитаксиални интерфейси.

14. Двумерни фазови преходи и критични явления в моноатомни слоеве. Преходи порядък-безпорядък. Модели и класове на универсалност. KTHNY дислокационна теория на топенето.

15. Моноатомни слоеве върху кристални повърхности. Съизмерими и несъизмерими фази. Решетъчен газ, подредени фази, псевдоморфни и компресирани слоеве.

16. Свръхрешетки, квантови верижки и квантови клъстери. Атомно манипулиране на интерфейси, темплейти.

Компютърно моделиране на явления във фазообразуването и кристалния растеж

17. Термодинамика и статистическа физика: статистически ансамбли, статистическа сума, функции на състоянието, разпределение по вероятности, ергодичност.

18. Основни модели на компютърни симулации във физика на кондензираното състояние: Монте Карло и Молекулна Динамика. Mетод на Metropolis, детайлен баланс, размерни ефекти и крайноразмерен скейлинг. Ускорени алгоритми.

19. Основни принципи на конструиране на симулационни модели. Решетъчни и континуални модели, параметър на порядък, разпределителни функции. Двучастичкови и многочастичкови потенциали на взаимодействие.

20. Компютърно моделиране на повърхности и междуфазови граници. Симулации на реални физически системи във физика на кондензираното състояние.

10 часа – експериментални методи

Съвременни експериментални методи във фазообразуването и материалознанието

21. Кристални повърхности и Милерови индекси. Формула на Кнудсен. Експериментални техники за изучаване на повърхности – обща класификация. Методи за изучаване на морфология и на елементен състав.

22. Основни принципи на електронната оптика. Трансмисионна и Отражателна електронна микроскопия. Визуализиране на вицинална кристална повърхност. Движение на моноатомни стъпала в случай на растеж и случай на изпарение. Примери с повърхност Si(111).

23. Спирален механизъм на растеж – визуализация с отражателна електронна микроскопия и атомно силова микроскопия. Спирален менахизъм на растеж на SiC.

24. Каталитични свойства на повърхностите. EELS спектроскопия с високо разрешение. Примери – каталитично действие на Pt върху CO.

25. Препарационни техники за трансмисионна и сканираща микроскопия. Вакуумно изпарение на тънки проводящи слоеве.

26. Енергийно дисперсивен елементен анализ на повърхности и тънки филми. Картографиране на повърхност по елементи. Зависимост на дълбочината на анализ от ускоряващото напрежение.

27. Практическо упраженение със сканираща електронна микроскопия. Изображения в обратно отразени електрони и вторични електрони.

28. Дифракция и дифракционни методи за анализ. LEED. Вълнова спектроскопия.

29. Съвременни методи на оптичната микроскопия – оптична микроскопия в близко поле. Лазерна сканираща оптична микроскопия.