卷曲量子阱薄膜中的應(yīng)變特性研究

1、卷曲量子阱薄膜中的應(yīng)變特性研究王月12，甄紅樓2，劉鋒1，陸衛(wèi)2(1.上海師范大學(xué)，上海2002342.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國家重點實驗室，上海200083)摘要：嵌入非對稱耦合量子阱(quantumwells)的納米薄膜經(jīng)過化學(xué)腐蝕后，在應(yīng)變工程技術(shù)下卷曲成三維的管狀結(jié)構(gòu)，不同管徑的微管其光學(xué)特性存在不同的模式，對應(yīng)兩種應(yīng)變釋放：單軸應(yīng)變釋放和雙軸應(yīng)變釋放。為研究應(yīng)變狀態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系以及影響應(yīng)變狀態(tài)的客觀因素，實驗上

2、用不同濃度的HF酸腐蝕液對納米薄膜犧牲層進行腐蝕并卷曲成三維管狀結(jié)構(gòu)。對微管熒光光譜的測試結(jié)果顯示，微管的單軸應(yīng)變釋放和雙軸應(yīng)變釋放不僅與襯底有關(guān)，還與微管卷曲的起始狀態(tài)有關(guān)，在一定條件下兩種應(yīng)變可以相互轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞：量子阱；應(yīng)變工程；卷曲微管中圖分類號:TN307文獻標識碼:A引言過去的20年里，應(yīng)變工程技術(shù)在微納科技中被廣泛的應(yīng)用于力學(xué)[1]，電子學(xué)[2][3][4]以及光學(xué)[5][6][7]等領(lǐng)域。基于這種技術(shù)，二維應(yīng)變納米薄膜可

3、以自發(fā)的褶皺[8][9][10]，扭轉(zhuǎn)[11[12]或者彎曲[13][14][15]成三維微納結(jié)構(gòu)，如管狀[16][17[18]、螺旋狀[19][20][21]、環(huán)狀[22]和褶皺狀[23][24]。這些形變可能來源于薄膜間的失配應(yīng)變[25]、殘留熱應(yīng)變[26][27]或表面應(yīng)力[28]。一般來說，在形變過程中，應(yīng)變的釋放過程主要由體系的預(yù)應(yīng)變狀態(tài)決定，但外界條件等因素如化學(xué)環(huán)境、系統(tǒng)溫度或機械振動等在一定條件下也會影響體系最終的應(yīng)變狀

4、態(tài)。在微納結(jié)構(gòu)材料器件中，外界條件等因素對應(yīng)變狀態(tài)的影響可能直接決定最終系統(tǒng)的性能。因此通過理論分析和實驗測量的方法精確調(diào)控最終微納系統(tǒng)的應(yīng)變狀態(tài)極其重要。微納結(jié)構(gòu)應(yīng)變狀態(tài)的測量有以下幾種技術(shù)：能量色散X射線(EDX)[29]，X射線衍射(XRD)[30]，以及微區(qū)光致發(fā)光(μPL)[31]。其中μPL方法更加適用于用發(fā)光材料制作而成的微納系統(tǒng)，但是其不適用于非發(fā)光材料系統(tǒng)。最近，我們用μPL研究了一個卷曲GaAsAlGaAs量子阱(q

5、uantumwells簡稱QWs)系統(tǒng)的光致熒光光譜性能。這個系統(tǒng)是運用應(yīng)變工程技術(shù)[32]，將嵌入發(fā)光QWs的納米薄膜卷曲成三維管狀納米結(jié)構(gòu)。我們通過μPL應(yīng)變是否沿著軸向方向發(fā)生釋放將會分別形成單軸(b)和雙軸(c)兩種應(yīng)變釋放狀態(tài)。Fig.1Strainrelaxationprocessesofamembranesubjectedtoinitialstrains.(a)Superlatticethinfilmswithtwoepi

6、taxiallatticemismatchedlayersastheexampleofastrainedmembraneThestrainedmembraneisbentintoacurvedstructurewhenitisfreefromthesubstrateatoneend.Thebendingofthestrainedmembraneismainlydominatedbytherelaxationofstrainalongth

7、ecurvingdirectiondependslessonthelongitudinalstrainrelaxation.Howeverthestrainstateoftheresultingtubularstructuresisassociatedwithbothrelaxationprocesses.Therewillbeuniaxial(b)biaxial(c)strainstatesrespectivelydependingo

8、nwhetherastrainrelaxationprocessoccursalongthelongitudinaldirectionnot.上圖展示了不同情況下納米薄膜的應(yīng)變釋放狀態(tài)，而薄膜的應(yīng)變狀態(tài)與材料的發(fā)光性能是緊密相關(guān)的。本文通過改變腐蝕液濃度的方法改變薄膜的應(yīng)變釋放狀態(tài)，結(jié)合理論計算和PL測量結(jié)果進一步確定納米微管的應(yīng)變狀態(tài)及其影響因素。研究結(jié)果顯示，對于制備好的不同厚度的納米薄膜，其卷曲后的應(yīng)變狀態(tài)可以在單軸雙軸應(yīng)變之間轉(zhuǎn)

9、換，并且這些微管的應(yīng)變狀態(tài)主要受襯底以及薄膜卷曲起始狀態(tài)的影響。這些結(jié)果的研究對卷曲薄膜中的應(yīng)力應(yīng)變設(shè)計以及能帶設(shè)計具有重要的參考價值。1.2樣品結(jié)構(gòu)及其應(yīng)變分布GaAs基底外延薄膜常用于制備應(yīng)變薄膜，通過分子束外延生長技術(shù)，很容易得到存在一定初始應(yīng)變的薄膜材料。而薄膜內(nèi)嵌入的GaAsAlGaAs量子阱層(quantumwells簡稱QWs)，通過其帶間躍遷情況可以測量出薄膜內(nèi)應(yīng)變分布狀態(tài)。關(guān)于外延薄膜的材料結(jié)構(gòu)詳見我們之前的工作[32

10、]。圖2(a)簡單的給出了納米薄膜的主要功能層，系統(tǒng)自下而上的分為以下幾個部分：一個AlAs犧牲層，一個In0.2Al0.2Ga0.6As應(yīng)力層，一個非對稱耦合GaAsAl0.4Ga0.6AsQWs光發(fā)射層以及一個周期性的GaAsAlAs剛性層。當AlAs犧牲層被腐蝕后，由In0.2Al0.2Ga0.6As應(yīng)力層提供的內(nèi)應(yīng)力會使得納米薄膜卷曲成一個內(nèi)半徑為R的納米微管[34][35][36]，該內(nèi)半徑可以通過周期性GaAsAlAs剛性層

11、來調(diào)節(jié)，而上面提到的應(yīng)變狀態(tài)是通過熒光光譜儀測量薄膜中QWs的熒光光譜而得來的。為了將QWs結(jié)構(gòu)的光發(fā)射性能和納米薄膜的應(yīng)變狀態(tài)聯(lián)系起來，我們用線性應(yīng)變理論和電子能帶結(jié)構(gòu)理論計算了不同應(yīng)變狀態(tài)下的納米薄膜的應(yīng)變狀態(tài)和QWs帶間躍遷情況，計算過程中所用的參數(shù)都是自洽的[32]。圖2(b)和圖2(d)給出了含有兩個GaAsAlAs剛性層的微管沿薄膜生長方向上的應(yīng)變分布情況，分別對應(yīng)著單軸應(yīng)變釋放過程和雙軸應(yīng)變釋放過程，多層材料的組成以及厚度