GeSi低維材料生長機(jī)理和微結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、目前，電子和光電器件強(qiáng)烈地影響著社會的多個領(lǐng)域，由于對這些器件的廣泛需求使得人們對于高效，多功能的納米器件的興趣倍增。而納米器件的發(fā)展離不開低維材料的發(fā)展。低維半導(dǎo)體材料有三大類，包括二維量子阱，一維納米線，零維量子點(diǎn)。其中二維量子阱和零維量子點(diǎn)已經(jīng)被研究了多年并且對全球技術(shù)的發(fā)展起到了重要的作用。最近幾年一維納米線已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注并且開啟了制作電子和光電子納米器件的途徑。作為零維量子點(diǎn)的一種，鍺硅量子點(diǎn)已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。他們在

2、光電子，微電子和單電子o器件方面有著潛在的應(yīng)用，并且更重要的是與傳統(tǒng)的硅基集成電路技術(shù)有著良好的兼容性。然而，量子點(diǎn)位置的精確控制和鍺元素的分布仍然是一個棘手的問題，同時，新型納米線的探索和其機(jī)制的研究也是一個待解決的問題。
　　在這篇論文中，通過一些簡單的方法，芯殼結(jié)構(gòu)硅-氧化硅納米線，非晶氧化硅納米線和氮化硅異質(zhì)結(jié)納米線被成功的合成出來。并且，就它們的生長機(jī)理和物理特性進(jìn)行了深入的研究。自組織鍺硅量子點(diǎn)樣品通過分子束外延的方法

3、生長出來。通過使用拉曼和透射電子顯微鏡技術(shù)，我們對氧氣退火的鍺硅量子點(diǎn)中鍺的再分布進(jìn)行了研究。
　　1.芯殼結(jié)構(gòu)鐵一氧化鐵顆粒催化生長芯殼結(jié)構(gòu)硅-氧化硅納米線
　　通過退火鐵覆蓋的硅襯底樣品，幾十微米長，40-90納米直徑的芯殼結(jié)構(gòu)硅-氧化硅納米線被成功的制備出來。該納米線的硅芯只有5-8納米，然而外面的氧化硅殼層卻非常的厚。經(jīng)過衍射的確定，芯-晶體硅的生長方向?yàn)?111>。在經(jīng)過了一系列的對比實(shí)驗(yàn)后，我們發(fā)現(xiàn)該芯殼結(jié)構(gòu)硅-

4、氧化硅納米線是由芯殼結(jié)構(gòu)的鐵-氧化鐵顆粒催化生長而來，并且遵循固-液-固的生長機(jī)理。
　　2.鍺催化生長非晶氧化硅納米線及其光電應(yīng)用
　　用鍺硅量子點(diǎn)或者鍺硅合金樣品作為襯底，成功的合成了非晶氧化硅納米線，其直徑為20納米，長度達(dá)幾十微米。納米線的形貌和產(chǎn)率與樣品的合成溫度息息相關(guān)。一系列的對實(shí)驗(yàn)證明該納米線是由金屬鍺催化得來，并且遵循固-液-固生長機(jī)制。在納米線的光致發(fā)光譜中，存在兩個發(fā)光峰位410納米和570納米，這兩個

5、峰位表明合成的納米線有可能應(yīng)用在白光二極管，全色顯示器還有全色指示器中。
　　3.單晶α-Si3N4/Si-SiOx芯殼/豆莢狀A(yù)u-SiOx軸向雙異質(zhì)結(jié)納米線通過高溫退火金覆蓋的二氧化硅薄膜襯底，大量的合成出了單晶α-Si3N4/Si-SiOx芯殼/豆莢狀A(yù)u-SiOx軸向雙異質(zhì)結(jié)納米線。其直徑為50-150納米，長度為十幾個微米。單晶α-Si3N4部分最先生長出來，緊接著是Si-SiOx芯殼，最后長出來豆莢狀A(yù)u-SiOx部分

6、。通過系統(tǒng)的改變溫度和氧化硅薄膜厚度，一個溫度決定的多步生長的氣-液-固機(jī)制被提出來合理的解釋異質(zhì)結(jié)納米線的生長。室溫光致發(fā)光譜發(fā)現(xiàn)該納米線存在兩個明顯的發(fā)光峰位(410納米和515納米)，這也表明該納米線在光源，激光和發(fā)光顯示器件方面有著潛在的應(yīng)用。
　　4.在鍺硅薄膜襯底上用金屬鎢催化生長筆直形貌的氧化硅納米線
　　使用鎢作為催化劑，通過退火鍺硅合金薄膜襯底，制備出了筆直形貌的非晶氧化硅納米線，其長度為幾個微米，直徑為1

7、00納米。在每根氧化硅線的頂端有一個鎢的催化劑。系統(tǒng)的對比實(shí)驗(yàn)表明鎢和鍺硅合金薄膜在納米線的生長中都起到了至關(guān)重要的作用。一個氣-固-固的生長機(jī)制可以用來解釋該納米線的生長現(xiàn)象。
　　5.氧氣退火致使的硅覆蓋鍺硅量子點(diǎn)樣品中鍺的再分布將S-K模式下生長的硅覆蓋鍺量子點(diǎn)樣品在氧氣下1000℃退火，形成了一種新的結(jié)構(gòu)。一層新的鍺富集量子點(diǎn)隱埋在氧化硅層中，并且處于原始量子點(diǎn)的上方。通過高分辨透射電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)新形成的量子點(diǎn)有著非