Формирование покрытий

Адсорбированные атомы (адатомы), мигрируя по поверхности и взаимодействуя друг с другом, в результате флуктуации объединяются в термодинамически устойчивые зародыши новой фазы - критические зародыши. Наиболее вероятно образование зародышей в потенциальных ямах поверхности конденсации на расстояниях, кратных межатомным расстояниям. Между атомами в зародыше начинают действовать силы химической связи, в результате формируются кристаллы с плотной упаковкой атомов. Образование критических зародышей связано с увеличением поверхностной энергии, что обуславливает их нестабильное состояние. В зависимости от условий конденсации возможен распад или образование термически стабильной новой фазы в виде микроскопических островков. Зародышевое образование может происходить и на базе конденсированной фазы (твердой или жидкой), поступающей из парового потока на поверхность формирования покрытия. В общем случае образование критических зародышей возможно:

- прямым захватом частиц из потока пара;

- миграцией атомов по поверхности конденсации;

- переходом конденсированной фазы из парового потока.

Механизм и кинетика образования критических зародышей при формировании покрытий из парового потока во многом аналогичны образованию критических зародышей при кристаллизации жидкостей.

Таким образом, возникновение на поверхности островков кондесированной фазы представляет начальную стадию роста покрытия. Контактирование островков и их срастание (коалесценция) достигаются за счёт как миграции, так и разрастания без смещения сформировавшейся части островка. Питание растущих зародышей достигается в основном в результате поверхностной диффузии. Вероятность прямого попадания частиц на зародыши мала. Между отдельными островками могут возникать новые зародышевые образования. При высоких температурах срастание островков подобно слиянию капель Движущей силой коалесценции является уменьшение свободной энергии взаимодействующей системы.

Теоретические и экспериментальные исследования позволили выделить четыре схемы формирования структурных покрытий.

1. Островковый рост (механизм Фольмера-Вебера); возникновение трехмерных зародышей; изолированный (островковый) их рост и последующая коалесценция. Образующаяся структура типична для тонких металлических покрытий и плёнок, осаждённых на поверхность диэлектриков и полупроводников.

2. Послойный рост (механизм Франка и Ван-дер-Мерве); послойный рост покрытия, характерен для родственных сочетаний основного материала и покрытия.

3. Послойный с последующим островковым ростом (механизм Крастанова - Странского); представляет собой двухмерное (послойное) зарождение с последующим ростом по островковому механизму формирования покрытия.

4. Столбчатый рост; обусловливает вертикальный (столбчатый) рост кристаллов благодаря последовательной кладке двухмерных слоев, в результате ограниченной диффузии адсорбированных атомов.

Особенно большое влияние на характер роста кристаллов из паровой фазы оказывает температура поверхности конденсации. Образующиеся из паровой фазы кристаллиты и структура покрытия отличаются высокой степенью неравновесности и большим количеством различных дефектов. Особенно это относится к условиям формирования покрытий при низких температурах поверхности конденсации и при наличии в паровом потоке атомов с невысоким энергетическим состоянием.