В случае сферической частицы значение свободной энергии Гиббса можно представить как сумму ее поверхностной и объемной составляющих:

G=4рR3 /3 - 4рR2 , (2.3)

где - удельная объемная свободная энергия; - поверхностная энергия; R- размер частиц.

Критическому размеру зародыша Rкр, как уже отмечалось, соответствует максимуму свободной энергии. Тогда для R=Rкр выполняется условие

d(G)/ dR=0.

После дифференцирования (7.3) получим уравнение , в результате решения которого имеем Rкр= 2/.

Оценки показывают, что при низкой температуре конденсации критический размер зародыша может составлять Rкр = (5…10).10-10 м, т.е. иметь размеры нескольких атомов. Отметим, что в этом случае при присоединении следующего атома ДGбудет изменяться дискретно. Вместе с тем термодинамическая теория предполагает непрерывное изменение поверхностной энергии и свободной энергии Гиббса. Следовательно, для описания частиц малого размера это условие не всегда выполняется. По этой причине более строгой и универсальной является статистическая теория зародышеобразования. В данной теории, исходя из параметров межатомного взаимодействия отдельных атомов, особенностей их поведения определяются вероятности роста и распада кластеров. К недостаткам данной теории можно отнести сложность расчета кластеров, состоящих из 6 и более атомов.

Зародышеобразование по флуктуационному механизму протекает в случае, когда на поверхности подложки образуется адсорбционная фаза с плотностью, превышающей критическую, . При этом флуктуация плотности

а ~а.

В общем случае критическая плотность адатомов зависит от природы материала подложки, ее температуры.

При больших временах осаждения, когда на поверхности образуется равновесная плотность адатомов, условие зародышеобразования имеет вид

.

Тогда плотность потока, при которой протекает процесс зародышеобразования, может быть получена из условия

(2.4)

Данное условие графически представлено на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – Область режимов осаждения, при которых протекает зародышеобразование

Анализ выражения (2.4) показывает следующее:

1) существуют некоторые пороговые значения плотности потока падающих частиц jк, ниже которых зарождение конденсированной фазы не происходит;

2) пороговое значение jк зависит от температуры; при снижении температуры поверхности подложки пороговое значение jк уменьшается.

Аналогичные выводы можно сделать по отношению к температуре. Максимальное значение температуры Tк, при которой происходит конденсация, получило название критической температуры или температуры Кнудсена. Значение Tкзависит, в основном, от природы атомов металла, плотности падающих частиц, состояния поверхности подложки. Наличие в падающем на поверхность потоке заряженных частиц, атомных ассоциатов (частиц из нескольких атомов) способствует процессам зародышеобразования, т. к. увеличивается фа и снижается вероятность перехода частиц в газовую фазу.