Fe-ZnO界面的同步輻射研究.pdf

1、金屬-氧化物界面(Metal-oxide interrace)在很多先進的應(yīng)用材料中起著非常重要的作用，有時甚至起著決定性的作用，比如：功能金屬陶瓷材料、氧化物彌散強化合金、金屬的氧化物防護、催化劑等等。眾所周知，材料的宏觀性質(zhì)是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的，因此，為了改善材料的宏觀性能，有必要弄清楚材料的界面微觀結(jié)構(gòu)，如界面的原子結(jié)構(gòu)、空間電荷分布、接觸勢壘、能帶彎曲、功函數(shù)、界面化學(xué)反應(yīng)，以及在退火過程中，整個界面體系的形貌、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變

2、化等等。上世紀，人們已對金屬．半導(dǎo)體的界面結(jié)構(gòu)進行了大量的研究，然而，對金屬-氧化物界面結(jié)構(gòu)的研究卻相對少一些，這主要是由于金屬與氧化物之間的性質(zhì)相差非常大，與金屬相反，氧化物通常很脆、絕熱、熱膨脹系數(shù)小，晶格常數(shù)也不同于金屬，有的甚至相差很大，而且，制備金屬-氧化物界面比較困難。本文利用分子束外延(MBE)方法在超高真空條件下在ZnO單晶上生長了金屬Fe薄膜，利用同步輻射光電子能譜技術(shù)，并結(jié)合低能電子衍射(LEED)、原子力顯微鏡(A

3、FM)、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)等表征技術(shù)對界面結(jié)構(gòu)和性能的變化進行了系統(tǒng)的研究。 1、利用表面物理實驗站的角分辨光電子能譜研究了ZnO(000-1)表面的能帶色散。通過分析垂直出射時的光電子能譜，得到了沿ΓA方向的體能帶結(jié)構(gòu)以及兩個表面態(tài)：通過分析非垂直出射時的光電子能譜，得到了兩個表面態(tài)在ΓM方向的二維能帶色散，實驗結(jié)果與理論計算進行了比較，并分析了其可能的來源。

4、2、在超高真空中，利用同步輻射光電子能譜對金屬Fe與ZnO兩個不同極性面的生長、電子結(jié)構(gòu)和界面作用等進行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明金屬Fe在ZnO(000-1)表面的生長模式更接近SK模式(先二維后三維的生長模式)，而在ZnO(0001)表面的生長模式是VW模式(三維島狀生長模式)。Fe/ZnO(000-1)界面相互作用的氧化層厚度約在1ML的Fe原子層，而Fe/ZnO(0001)界面相互作用的氧化層厚度更小，只有約0.25ML。隨著Fe薄

5、膜厚度的增加，分別在3ML和1ML厚度時，形成了清晰的金屬Fermi邊。對于Fe/ZnO(000-1)體系，Zn3d和功函數(shù)的移動是由于沉積初始階段界面電子傳輸導(dǎo)致表面偶極層的形成，降低表面電子的電離電位所引起的。而對于Fe/ZnO(0001)體系中，Zn3d和功函數(shù)的移動更多的是受到荷電效應(yīng)的影響。 3、利用共振光電子能譜(RPES)技術(shù)研究了Fe/ZnO(000-1)體系不同軌道電子的躍遷機制、雜化效應(yīng)以及Fe3d電子對價帶電子結(jié)構(gòu)

6、的貢獻。光子能量達到過渡金屬Fe3p-3d激發(fā)閾值時觀察到明顯的光電發(fā)射增強效應(yīng)。從恒初態(tài)模式(CIS)曲線中可知，E<,b>=0.9eV處信號的增強，來自于Fe3p-3d的共振發(fā)射，E<,b>=5.5eV處的信號增強，主要是由Fe的俄歇電子躍遷引起的；而E<,b>=10.7eV附近的信號增強，則是因ZnO能帶色散引起的Zn3d的兩個子帶的簡并態(tài)。 4、利用同步輻射光電子能譜技術(shù)，測試了Fe(3nm)/ZnO(000-1)體系界

7、面在退火過程中價帶、Fe2p和Fe3p能譜的演變。當退火溫度達到600℃，表面的金屬Fe開始向體相擴散，并且和襯底ZnO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當溫度達到900℃后，襯底釋放出大量的氧氣，使得二價態(tài)的Fe被進一步氧化成三價態(tài)Fe，從而確定了金屬Fe在ZnO(000-1)界面的兩步氧化過程，即Fe→FeO→Fe<,2>O<,3>。AFM和FE-SEM圖片顯示Fe在ZnO(000-1)表面形貌隨退火溫度的改變而發(fā)生明顯的變化，F(xiàn)e薄膜從瓦解并團簇化，