結晶成長理論

1992 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 04227108
• 研究機関: 徳島大学
• 研究代表者: 西岡 一水 徳島大学, 工学部, 教授 (90035650)
• 研究分担者: 岡田 勲 東京工業大学, 総合理工学研究科, 教授 (60011582) ; 津田 穣 千葉大学, 薬学部, 教授 (90009506) ; 上羽 牧夫 名古屋大学, 教養部, 助教授 (30183213) ; 入沢 寿美 学習院大学, 計算機センター, 講師 (20101587) ; 斎藤 幸夫 慶応義塾大学, 理工学部, 助教授 (20162240)
• キーワード: シミュレーション / 核性成 / 結晶界面 / ステップ / パターン形成 / MBE成長 / ALE / 融液結晶成長

研究概要

1.多成分気相中での臨界核以外の液相核に対する生成可逆仕事の公式を導いた。界面張力として、臨界核以外の核に対しても臨界核の組成とサイズに対する値を用いるべきことがわかった。結晶核については、生成可逆仕事に対する界面応力、エッジ及びコーナー自由エネルギーの寄与に関して考察を進め、エッジ自由エネルギーは常に負となることがわかった。(西岡)
2.拡散場中で運場するステップのシミュレーションを進め、突出不安定性や多重ステップ列のバンチング不安定性を見いだした。不安定化が進行した後の樹枝状結晶形に対しても異方性と雑音の競合を微積分方程式の数値解法で調べ、規則一不規則な樹枝状形転移を見いだした。(斎藤)
3.MBE成長条件下での表面拡散場をモンテカルロシミュレーションで詳しく解析した。ステップフローモードで成長中の拡散場は定常分布である2次関数で近似され、それから見積られる拡散係数はシミュレーションで与えた値よりも大きくなり、クラスター解離が無視できないことがわかった。また、クラスター密度の時間変化から1/100層成長時という早い時期に核生成が完了していることがわかり、分布から臨界核サイズも見積れる可能性がでた。(入沢)
4.気相成長下では原子の入射強度によってステップの揺らぎが大きく変化し、入射強度が臨界値を越えると揺ぎが発散してステップが不安定になることを見いだした。また、不安定化後は非線形性のためカオス的な運動をし、ステップの形態には結晶の方位が反映されることがわかった。さらに、ステップ列の安定性やステップ集団の拡散場を介しての相互作用を調べ、ステップが斥力を及ぼし合っているときにも平衡から充分外れればステップ対が運動学的な束縛状態を作り、この対がさらに3体までの束縛状態を作ることを見いだした。(上羽)
5.GaAs(001)面でトリメチルガリウム(TMG)によるALE素過程の量子化学計算を行った。TMGは表面のAs原子のローンペアに配位して物理吸着し、ついで隣接する表面のAs原子と結合して2個のメチル基を保持した形で安定化すること、この2つのGaはダイマーを形成してさらに安定化することなどがわかった。このダイマー構造はMBEで形成されるものとは異なることから、Ga成長表面の構造はMBEとMOCVDとでは異なることがわかった。(津田)
6.NaClの固液界面及び結晶成長の分子動力学シミュレーションを行い、結晶界面の安定性は{111}<<{110}<{100}の順序であること、{110}面がピコ秒以内で{100}に転移することが見られた。また、{110}面からは成長し易いが{100}面からは困難であること、界面には3〜4層の疑似融液層が存在することなどがわかった。(岡田)

研究成果

• [文献書誌] K.Nishioka: "Thermodynamic formulae of liquid phase nucleation from vapor in multi-component systems" Journal of Chemical Physics. 96. 5370-5376 (1992)
• [文献書誌] K.Nishioka: "Thermodynamic formula for the reversible work of forming a noncritical cluster from the vapor in multi-component systems" Journal of Chemical Physics. 97. 6687-6689 (1992)
• [文献書誌] K.Nishioka: "Theromodynamic Formulae of Homogeneous Nucleation" Ohysica Scripta. T44. 23-30 (1992)
• [文献書誌] K.Nishioka: "Interfacial themodynamics of noncritical clusters and homogeneous nucleation in multicomponent systems" Journal of Crystal Growth. (1993)
• [文献書誌] Y.Saito: "Flow-Induced First Order Transition of the Aggregation in a Diffusion Field" AIP Conference Proceedings. 256. 547-548 (1992)
• [文献書誌] Y.Saito: "Dynamics and Structure of an Aggregation Grown from a Diffusion Field" in ¨Pattern Formation in Gomplex Dissipative Systems¨,ed.by S.Kai. 47-56 (1992)
• [文献書誌] M.Uwaha: "Kinematical Binding Transigion of Steps in a Surface Diffusion Field" Physical Review B. 46. 4364 (1992)
• [文献書誌] M.Uwaha: "Evolution of a Train of Interacting Steps in a Surface Diffusion Field" Journal of Crystal Growth. (1993)
• [文献書誌] 上羽 牧夫: "ステップの統計力学と結晶成長" 日本結晶成長学会誌. 19. 154-160 (1992)
• [文献書誌] 入沢 寿美: "モンテカルロシミュレーションよる成長表面構造の解析" 表面科学. 14. 17-23 (1993)
• [文献書誌] M.Tsusa: "Mechanism of the Step Growth of Diamond Crystals with Carbon Atom" Journal of Electrochemical Society. 139. 1482-1489 (1992)
• [文献書誌] S.Oikawa: "Elementary processes of surface reaction in amorphous silicon film growth" Applied Surface Science. 60/61. 29-38 (1992)
• [文献書誌] Y.Saito: "Dynamics and Structure of an Aggregation Growth from a Diffusion Field" in ¨Interactive Dynamics of Convection and Solidification¨,ed by S.H.Davis et al.27-29 (1992)
• [文献書誌] Y.Saito: "Kinetic Effect in 20 Dendritic Growth" Journal of Crystal Growth. (1993)
• [文献書誌] Y.Saito: "Growth Morphologies in Diffusion Field" Journal of Crystal Growth. (1993)
• [文献書誌] M.Uwaha: "Kinetic Smoothing and Roughening of Steps with Surface Diffusion" Physical Review Letters. 68. 224-227 (1992)
• [文献書誌] M.Uwaha: "Roughening and Smoothing of Steps with Surface Diffusion" Surface Science. (1993)
• [文献書誌] M.Uwaha: "Fluctuation of Steps in Surface Diffusion Field" Journal of Crystal Growth. (1993)