中文摘要：

本项研究以外延生长过程的关键基础科学问题为核心，通过材料科学、物理学、力学等相关学科的交叉与融合，在热力学及统计物理的理论框架下，采用一种半连续的描述方法，阐明反应扩散动力学对台阶式外延生长的形成规律，建立薄膜生长的物质传递与反应协同的理论模型，发展数值模拟方法，揭示从原子尺度到材料生长的宏观尺度下的原子迁移机制、表面/界面效应、界面形貌失稳机制。利用微观相场、表面原子浓度场和应力场的三场耦合，连同与之适应的高效稳定的数值计算方案，真实地再现台阶式外延薄膜生长过程中表面形貌演化，台阶表面的岛状形核，以及相关的不稳定现象。在提取表面原子基本运动的物理过程及其能量势垒变化的详尽信息基础上，发展一套介观尺度上有一定预测能力的外延生长过程的理论分析方法和数值研究手段。在此基础上，可以透彻理解和控制薄膜生长过程及薄膜表面的量子点形成应力调控机制，为制造具有高性能薄膜和纳米器件提供理论依据和指导。

结论摘要：

纳米结构材料如量子点、量子线因其独特的光电性能，在现代半导体工业中得到广泛应用。由于自组织外延生长过程中，各种动力学热力学因素的共同作用，使得薄膜表面出现丰富的形貌及失稳现象。对其作用机制的认识和定向调控是制备高性能纳米结构材料的关键。基于此，本项目主要研究工作如下（1）采用半连续的方法建立了反应扩散耦合作用下外延生长的微力学理论，针对气相沉积外延薄膜的生长过程，在连续介质的理论框架下，发展一种适用于异质外延生长具有普遍适用半连续的理论模型；（2）采用连续相场模型，连同浓度场及弹性场的耦合作用，描述和模拟邻晶面生长过程的形貌演化，综合考虑Es势垒、边缘扩散等动力学因素，构造高精度数值计算方法，真实再现了原子岛的形貌，并对表面粗糙度做了详细刻画；对邻晶面上沉积及退火过程进行真实再现，发现在沉积过程中邻晶面上呈现出复杂的原子岛和纳米条带的混合结构，在退火过程中，邻晶面以消耗原子岛而促进纳米条带生长的方式熟化，出现二次形核和可逆生长现象，数值结果与实验在定性上一致；对台阶失稳现象进行了机理性的探究；（3）综合考虑各种物理机制及其关联，发展一套全面分析一类典型结构量子点（原子岛）生长中的形貌稳定性演化规律及调控机制。在动力学方面，采用BCF模型描述岛的生长过程，结合动态边界条件，综合考虑沉积流，线张力，扩散，吸附，岛边界处的Es势垒效应等因素。在热力学方面，考虑失配应变，外加应变及扰动的共同作用下弹性场的解析表达，利用GT关系实现弹性场与扩散场的耦合，采用稳定性分析方法，获得关键的稳定条件临界扰动模式，最不稳定的扰动生长模式，临界沉积流，临界半径；得到稳定调控机制包括线张力，软基底，外场压应变；不稳定的有远场流量和失配应变，外场拉应变；（4）研究了固液相变过程中界面形貌的演化过程，重点研究相变过程中应力场、材料的力学性质的演化规律；研究了膜基微传感在物理分子吸附和环境温度变化共同作用下的静动态力学行为；研究了考虑生长应力对材料如树木表面形貌的影响规律。（5）针对小尺度结构材料考虑尺寸及压敏效应，建立了相应的应变梯度塑性理论，并在大型有限元软件ABAQUS平台上，给出高效的数值计算方法和有限元计算格式，在此基础上研究了微压痕响应、稳态裂纹扩展问题。