Si(001)表面硅化鉺納米體系的生長及結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、低維納米體系由于在納米尺度范圍內(nèi)表現(xiàn)出奇特量子效應(yīng)以及在電子、光電子和磁性器件方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景而引起了人們廣泛的研究興趣。近幾年來研究發(fā)現(xiàn)在Si(001)襯底上沉積低覆蓋度的稀土金屬經(jīng)過退火后可自組裝形成稀土金屬硅化物納米線結(jié)構(gòu)，這樣的金屬有鉺、鏑、釓和釤。據(jù)研究稀土金屬的硅化物具有較高的電導(dǎo)率以及在n型硅襯底上較低的肖特基勢壘，因此這些硅化物納米結(jié)構(gòu)在未來諸如微電子器件間歐姆互連以及光發(fā)射器件等方面具有很重要的應(yīng)用價值。

2、r>　　在本論文的工作中，我們主要研究Si(001)表面硅化鉺納米體系的生長和結(jié)構(gòu)及其演化。主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.通過運用原位超高真空掃描隧道顯微鏡(UHV-STM)實現(xiàn)對硅化鉺納米結(jié)構(gòu)形貌的研究。進而通過調(diào)節(jié)覆蓋度，退火溫度以及退火時間這三個生長條件實現(xiàn)對硅化鉺納米結(jié)構(gòu)形貌的生長調(diào)控。特別是運用高分辨透射電鏡(HRTEM)開展對硅化鉺納米體系內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的研究，直接證明了在600～650℃退火時形成的硅化鉺納米線為六角

3、晶格結(jié)構(gòu)，而在750～800℃退火形成的納米島為四方晶格結(jié)構(gòu)。通過計算高分辨電鏡像中晶格參數(shù)，表明在硅表面生長的納米線受襯底約束而導(dǎo)致實際的失配為4.7％～5.0％小于理論失配6.5％，證明納米線沿[0001]方向存在較大的應(yīng)變。同時，我們還發(fā)現(xiàn)即使是四方結(jié)構(gòu)的島，島的內(nèi)部依然有較大的應(yīng)力，使得四方相的ErSi2(002)面發(fā)生很多上下的彎曲以及層錯缺陷。而且測得四方相與襯底的失配為2.4％，也小于理論的3.1％，從而說明四方相中也存在

4、應(yīng)變。另外，我們首次發(fā)現(xiàn)在硅化鉺納米島內(nèi)存在四方結(jié)構(gòu)和六角結(jié)構(gòu)共存的現(xiàn)象，尤其值得注意的是，此時的六角結(jié)構(gòu)經(jīng)過弛豫后與其周圍四方晶格結(jié)構(gòu)是完全匹配的。
　　2.研究了硅化鉺納米體系的形貌演化和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。運用STM觀測到硅化鉺納米線在650℃以下經(jīng)過10～180分鐘的退火，從納米線演變?yōu)榧{米島的過程。接著通過HRTEM分別觀測了在630℃進行20分鐘和180分鐘退火后的納米結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明隨著退火時間的延長，硅化鉺的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生從A

5、lB2型六角結(jié)構(gòu)到ThSi2型四方結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，從而在實驗上證實了Si(001)表面上自組裝得到的納米硅化鉺結(jié)構(gòu)中，六角晶格結(jié)構(gòu)是一種亞穩(wěn)態(tài)的相。并且發(fā)現(xiàn)硅化鉺在硅表面上生長時，除了沿平行表面方向的生長外，還存在不斷陷入硅襯底的過程，通過分析HRTEM圖像中硅化鉺納米結(jié)構(gòu)陷入襯底的深度，推斷出這個陷入過程發(fā)生在納米線形成的初始階段。進而根據(jù)上述STM及TEM觀測結(jié)果推斷出納米線生長過程中的陷入硅襯底以及合并的動理學(xué)因素促使了硅化鉺納米體系

6、從六角晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄Ц窠Y(jié)構(gòu)，而晶格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致納米硅化鉺發(fā)生形狀上的變化，從而由細長納米線演變?yōu)榉叫渭{米島，達到熱力學(xué)和動理學(xué)上的穩(wěn)定形狀。
　　3.用反復(fù)沉積-退火的循環(huán)生長方法來實現(xiàn)硅化鉺納米結(jié)構(gòu)的高密度生長，并研究循環(huán)生長中所表現(xiàn)出的與單次生長不同的物理問題。結(jié)果表明硅表面納米島的長寬高尺寸及面密度都在不斷增加，同時納米島能夠保持正方形生長，這與單次生長時正方納米島演化為長方島的生長方式不同。此外，研究發(fā)現(xiàn)表面納米島