J. Phys. France 47, 2055-2073 (1986)
DOI: 10.1051/jphys:0198600470120205500

Structural transitions in epitaxial overlayers

R. Bruinsma¹ et A. Zangwill<sup>2

1</sup>  Department of Physics, Solid State Science Center, University of California, Los Angeles, CA 90024, U.S.A.
²  School of Physics, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, U.S.A.

Abstract
We present a theory of epitaxial growth appropriate to overlayer materials that can adopt a bulk metastable crystal structure with a lattice constant significantly different from that of the stable ground state structure, as is common for metal epitaxy. This requires a generalization of the traditional Frank and van der Merwe theory to a regime where the overlayer responds nonlinearly to the large shear stress exerted by the substrate. New results are obtained for the commensurate-incommensurate transition (for thin layers) and the coherent-incoherent transition (for thick layers) that are presented in the form of a structural phase diagram as a function of epitaxial misfit and overlayer thickness. We predict that a crystallographic analog to spinodal decomposition can occur in certain ranges of large misfit. The nature of substrate-stabilized metastable epitaxy is clarified and a further analogy to martensitic phase transitions is exploited to predict the microstructure that must accompany the transformation of a metastable overlayer to the ground state structure for sufficiently thick overlayers.

Résumé
Nous présentons une théorie de la croissance épitaxiale adaptée aux matériaux de surcouche qui peuvent adopter une structure cristallographique métastable volumique avec une constante du réseau assez différente de celle de la structure stable de l' état fondamental. Ceci requiert une généralisation de la théorie traditionnelle de Frank et Van der Merwe au régime où la surcouche répond non linéairement à une grande contrainte de cisaillement extérieure. Des résultats nouveaux sont obtenus pour la transition commensurable-incommensurable (pour des couches minces) et pour la transition cohérente-incohérente (pour des couches épaisses). Ils sont présentés sous la forme de diagramme de phase de structure en fonction du défaut d'ajustement épitaxial et de l'épaisseur de la surcouche. Nous prédisons que l'analogue cristallographique de la décomposition spinodale peut exister dans certaines gammes de très grandes valeurs du défaut d'ajustement. La nature de l'épitaxie métastable stabilisée par le substrat est clarifiée, et une analogie avec les transitions de phase martensitiques est exploitée pour prédire la microstructure qui doit accompagner la transformation de la surcouche métastable à la structure de l'état fondamental pour des surcouches suffisamment épaisses.

PACS
6470K - Solid-solid transitions.
6475 - Solubility, segregation, and mixing; phase separation.
6855 - Thin film structure and morphology.
8130K - Martensitic transformations.

Key words
commensurate incommensurate transformations -- crystal microstructure -- epitaxial growth -- epitaxial layers -- martensitic transformations -- metallic epitaxial layers -- phase diagrams -- spinodal decomposition