[论文解读] Solid-State Dewetting and Island Morphologies in Strongly Anisotropic Materials

Wei Jiang, Yan Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2015

Fluid Dynamics and Thin Films被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于热力学变分原理的尖锐界面连续模型，用于研究强各向异性材料中的固态脱湿行为。结果表明，由于表面能各向异性强，除经典的Winterbottom构造外，还可出现多种平衡态与亚稳态岛状形态；数值模拟进一步证实，在不同初始条件下，所有这些形态均可实现动态演化。

ABSTRACT

We propose a sharp-interface continuum model based on a thermodynamic variational approach to investigate the strong anisotropic effect on solid-state dewetting including contact line dynamics. For sufficiently strong surface energy anisotropy, we show that multiple equilibrium shapes may appear that can not be described by the widely employed Winterbottom construction, i.e., the modified Wulff construction for an island on a substrate. We repair the Winterbottom construction to include multiple equilibrium shapes and employ our evolution model to demonstrate that all such shapes are dynamically accessible.

研究动机与目标

• 解决经典Winterbottom构造在强表面能各向异性条件下描述平衡岛状形态时的局限性。
• 构建一个热力学一致的连续模型，以捕捉固态脱湿过程中的表面扩散与接触线迁移行为。
• 识别并分类由强晶体各向异性引发的多种稳定与亚稳态岛状形态。
• 通过数值模拟验证理论预测，并构建完整的润湿/脱湿行为相图。
• 拓展连续建模在强各向异性体系中的适用性，实现对纳米结构演化的精确预测与调控。

提出的方法

• 采用热力学变分方法构建尖锐界面连续模型，通过最小化总界面能（包括薄膜/气相、薄膜/基底及气相/基底界面）来实现。
• 提出广义的Winterbottom构造，通过在表面能各向异性和基底能 mismatch 参数空间中识别关键边界线（L1–L5），实现对多种平衡形态的描述。
• 推导出在(σ, β)参数空间中边界线L1–L5的解析表达式，用于定义不同润湿/脱湿区域之间的转变。
• 采用基于水平集的数值格式，模拟在表面扩散与接触线迁移作用下岛状形态的时间演化过程。
• 通过在不同参数区域内对比数值模拟与理论预测，验证了模型的准确性，确认其与推导出的相图一致。
• 将模型推广至三维，但指出对于具有移动接触线的开放表面，高效数值模拟仍具挑战。

实验结果

研究问题

• RQ1 当表面能各向异性较强时，除经典Winterbottom构造外，可在基底上形成哪些平衡岛状形态？
• RQ2 表面能各向异性和基底能 mismatch 之间的相互作用如何导致固态脱湿中出现多种稳定与亚稳态形态？
• RQ3 连续模型能否准确预测并模拟岛状形态演化过程中多种平衡形态的动态可达性？
• RQ4 以各向异性参数σ和基底能 mismatch β表示的润湿/脱湿行为完整相图是什么？
• RQ5 如何在数学上修正Winterbottom构造，使其在强各向异性条件下能包含多种平衡形态？

主要发现

• 在强表面能各向异性条件下，多种平衡态与亚稳态岛状形态可共存，包括Wulff包络中带有“耳状”结构的形态，这些形态未被经典Winterbottom构造所捕获。
• 该模型识别出六种不同的润湿/脱湿行为类型（II–VI类及IV′类），每类对应于(σ, β)参数空间中的不同区域，并由明确的边界线（L1–L5）定义其转变关系。
• 数值模拟结果表明，不同初始岛状形态可动态演化为平衡的Winterbottom形态或某一亚稳态形态，证明了所有形态的完全动态可达性。
• 图4所示的相图经模拟验证，理论预测与数值结果在所有参数区域内完全一致。
• 在IV类中，平衡形态包括四种不同构型：对称蓝色、条纹状，以及两种镜像对称的非对称形态，所有形态均可动态实现。
• 在IV′类中，平衡的Winterbottom形态对应完全脱湿，表明相同的各向异性程度可因基底能 mismatch 的不同而引发部分或完全脱湿。