Kinetics of deposition and post evolution relaxation in thin-films

Abstract

This thesis is devoted to the use of statistical physics concepts to study the growth of lms, under nonequilibrium conditions. Speci cally, we consider the in uence of the particle/ particle and particle/substrate interacting rules on the morphology of the obtained lm. We report how interesting structures can emerge from interacting rules as simple as the ones from the random sequential adsorption process. In the presence of a patterned substrate, made up of well de ned regions (cells) where particles can irreversibly stick, a rich set of morphologies are obtained at the jammed state. Such structures reveal, not only the order of the pattern, but also the stochastic nature of the adsorption process and the competition during adsorption. Besides, we show that such pattern changes also the kinetics toward the asymptotic limit and report, for the rst time, a transition from power law to exponential, in the functional dependence of the coverage approach to the jamming value. The competitive adsorption of segments with di erent sizes on a line is also considered. The in uence of the size ratio on the jammed state structure is analyzed with the cumulants of the distance between segments, up-to the fourth order. Yet, a probability distribution function of distances is proposed, based on heuristic arguments. The obtained results with the proposed function are in agreement with the ones from simulation. For the growth regime where di usion of particles on the substrate cannot be neglected, the in uence of the ux of impinging particles on the nucleation and growth of islands is studied. A model based on the kinetic Monte Carlo method is then proposed to study the homoepitaxial growth of Ag/Ag(100). Based on symmetry considerations, for both the substrate geometry and the interaction potential, the list of possible processes is reduced from 1024 to 241 elements. The model is able to reproduce previously reported results as well as gain new insights into the nucleation process, specially, for cases where the shape of the island and its local environment, play an important role on the overall kinetics.

Nesta tese, aplicam-se conceitos de física estatística ao estudo de crescimento de filmes em condições de não equilíbrio. Considera-se o efeito da interacção partícula/partícula e partícula/substrato na morfologia do filme. Através de simulações de Monte Carlo, mostra-se que estruturas interessantes podem emergir de processos tão simples como a deposição sequencial aleatória. Uma grande variedade de estruturas pode ser obtida na presença de um padrão, constituído por regiões bem definidas (células) onde as partículas podem adsorver irreversivelmente. Estas estruturas devem-se ao efeito conjugado das restrições introduzidas pelo padrão e do efeito cooperativo entre as partículas durante a adsorção. Mostra-se ainda que, na presença do padrão, há uma transição de lei de potência para exponencial, na dependência funcional da aproximação da cobertura ao estado limite. É também estudada a adsorção competitiva de segmentos de dois tamanhos diferentes, numa linha. A influência da relação de tamanhos na estrutura final é caracterizada com base nos momentos (de elevada ordem) da distância entre segmentos. Propõe-se uma função de densidade de probabilidade para as distâncias, estando os resultados obtidos com essa função em concordância com os obtidos computacionalmente. Finalmente, estuda-se a deposição e a relaxação de átomos numa superfície cristalina, desenvolvendo-se um modelo com base no método de Monte Carlo cinético, para estudar o crescimento de Ag/Ag(100). Com considerações de simetria baseadas no substrato e no potencial de interacção, a lista de possíveis processos é reduzida de 1024 para 241 elementos. O modelo considerado é capaz de reproduzir resultados anteriores, bem como permitir obter mais informação sobre o processo de nucleação, em especial nas situações em que tanto a forma da ilha como o meio em que se encontra desempenham um papel fundamental na cinética do sistema.