中文摘要：

外延技术在当代半导体制造工艺中占有核心地位。无论是设计计算机心脏的超大规模集成电路，还是现代通信技术中不可缺少的光电子器件，其核心结构都涉及一层或多层薄膜材料，必须依靠外延技术来制备，这涉及到薄膜的生长过程。本项研究意在揭示薄膜生长过程中与动态界面相关联的诸如原子扩散、界面运动、薄膜生长中的岛的生长等非平衡过程中遇到的各种现象的物理内涵。从力学、材料学和凝聚态物理角度出发，在非平衡态热力学耗散结构和动力学框架下，研究变形、原子传输、扩散、长大的相互作用。从普遍适用的基本定律出发，推导适合描述薄膜生长过程的本构模型，补充实验不能直接测量的东西。采用金兹堡朗道相场法对薄膜生长过程进行数值模拟，揭示薄膜界面结构的演化过程，从而探索由薄膜的不同生长过程产生薄膜特定的表面结构。通过理论和数值方面的研究成果辅以实验验证，可实现根据薄膜生长过程来预报薄膜的表面结构特征，达到预报材料使用效能的目的。

结论摘要：

随着固态高科技技术产业的飞速发展，在原子尺度上揭示膜层形成的微观演化过程，对深入了解表面粒子的迁移、吸附和成核，对改进和优化薄膜生长工艺、提高薄膜质量具有重要意义。主要研究工作（1）给出外延薄膜台阶式生长过程中由于台阶界面迁移导致的动力学传输问题的微力学理论描述框架。该理论建立在统计物理和连续介质热力学基本理论基础上，采用一个与薄膜生长相关的构形力概念来刻画生长过程中力的演化。其核心思想是利用一个 "迁移控制体积"，将薄膜生长的物理过程从界面分离出来来表面原子的扩散、粘接、生长的动力学过程。（2）采用一个简单的平台－台阶－纽结模型研究台阶边缘的原子渗透这一物理现象。利用平均场方法研究台阶上纽结密度的变化过程，在此基础上，发展一种在更大尺度范围上描述薄膜生长过程的宏观模型。（3）将相场法应用于薄膜生长过程形态演化的研究。基于表面原子密度和相场变量，以Ginzburge－Landau相变理论为基础构造体系随时间的演化方程。该模型适合于描述气固界面的演化并考虑了表面原子扩散，可以看作是作为扩散界面近似的BCF型模型的扩展。利用该相场模型研究了二维台阶式外延薄膜生长的形态演化过程。