Influence of Interactions between Adsorbate and Substrate on the Statistical Properties of Surface Structures at Condensation

Abstract

У роботі досліджено вплив пружної взаємодії між адсорбатом і субстратом на кінетику наноструктурування тонких плівок під час конденсації та статистичні властивості поверхневих структур в рамках теоретичних підходів і чисельних симуляцій. Розроблено модель реакційно-дифузійного типу для просторово-часової еволюції концентрації адсорбату на підкладці, яка враховує адсорбцію, десорбцію, переходи адатомів між сусідніми шарами, взаємодію адсорбат-субстрат і адсорбат-адсорбат, а також поверхневу дифузію. Використовуючи аналіз стійкості стаціонарних однорідних станів до неоднорідних збурень показано, що збільшення сили пружної взаємодії між адсорбатом і підкладкою індукує формування стійких структур адсорбату на підкладці при конденсації в умовах низького тиску. Динаміку процесів формування структур адсорбату під час осадження з різними значеннями сили взаємодії адсорбат-субстрат досліджено в рамках процедури числового моделювання. Виявлено, що збільшення сили пружної взаємодії між адсорбатом і субстратом прискорює процеси саморганізації адсорбату з формуванням стійких кластерів та приводить до формування більшої кількості островів адсорбату з більшими розмірами. Показано, що в стаціонарному режимі розподіл стійких островів адсорбату за розмірами залишається універсальним для різних значень сили пружної взаємодії між адсорбатом і субстратом. Проведені дослідження надають цінні відомості про механізми, які керують ростом наноструктурованих тонких плівок у при конденсації в умовах низького тиску при різних значеннях сили пружної взаємодії між адсорбатом і підкладкою при осадженні різних матеріалів на різні субстрати.

We investigate the effects of elastic adsorbate-substrate interactions on the kinetics of nano-structuring of thin films during condensation and statistical properties of the surface structures in the framework of theoretical approaches and numerical simulations. We derive the reaction-diffusion model for the spatiotemporal evolution of the adsorbate concentration on the substrate by taking into account adsorption, de-sorption, transferring of adatoms between neighbor layers, adsorbate-substrate and adsorbate-adsorbate interactions and lateral diffusion. By exploiting stability analysis of the stationary homogeneous states to in-homogeneous perturbations we have shown that an increase in the elastic adsorbate-substrate interaction strength induces formation of stable adsorbate structures on the substrate under low-pressure condensation. We perform numerical simulations of the processes of adsorbate structures formation during deposition with varying adsorbate-substrate interaction strengths. It is found that an increase in the strength of elastic ad-sorbate-substrate interactions accelerates processes of adsorbate self-organization into stable clusters and leads to the formation of larger number of adsorbate islands with elevated sizes. It is shown that in the stationary regime the distribution of stable adsorbate islands over sizes remains universal for different values of the elastic interaction strength between adsorbate and substrate. This study provides valuable insights into the mechanisms governing nano-structured thin film growth in low-pressure systems with varying elastic adsorbate-substrate bonding strengths by depositing different materials onto different substrates.