删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

Ga液滴沉积速率对GaAs/GaAs (001)量子双环形貌的影响

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

摘要:采用液滴外延法在GaAs (001)衬底上制备同心量子双环(concentric quantum double rings, CQDRs), 利用原子力显微镜表征其表面形貌, 并研究Ga液滴沉积速率对CQDRs的影响. 研究结果发现, 随着Ga液滴沉积速率的增加, CQDRs的密度增加, 内外环半径均降低. 根据成核理论中最大团簇密度和Ga液滴沉积速率之间的关系拟合出临界成核原子数目为5, 表明在Ga液滴形成阶段时稳定的Ga原子晶核至少包含5个Ga原子; 根据成核理论和拟合结果绘制成核过程状态转化图以深入理解Ga液滴形成过程. 相关研究结果对液滴外延法制备密度可控的GaAs同心量子双环具有一定的指导意义.
关键词: 同心量子双环/
团簇扩散动力学/
原子力显微镜

English Abstract


--> --> -->
量子环因其独特的光电性质, 特别是其量子相干性对Aharonov-Bohm 和Aharonov-Casher 效应的影响激发了科研人员的广泛兴趣[1-6]. 理论预测的光学Aharonov-Bohm效应获得了实验验证, 在量子信息处理领域有潜在的应用前景[7-9]. 近二十年来, 基于晶格失配材料体系的异质外延法是低维半导体纳米结构材料制备的主要途径[10,11]. 近年来, 在制备半导体量子环纳米结构材料方面有一定的改进, 自Chikyow和Koguchi [12]建立液滴外延(droplet epitaxy, DE)以后, DE方法逐渐发展成为制备半导体纳米结构的主要方法. 耦合量子点[13]、单量子环[14,15]、同心量子双环[16,17](concentric quantum double rings, CQDRs)等各种各样的半导体纳米结构被研究者们使用该方法制备.
理论研究表明[18], 影响CQDRs的形貌主要为晶化阶段的两个因素: 温度和As束流, 然而关于生长动力学过程中的液滴前期形成过程(即金属原子成核长大的过程)对CQDRs的影响鲜有报道. 本文采用金属DE法在GaAs (001)衬底上生长GaAs同心量子双环, 研究Ga液滴沉积速率对CQDRs密度、内环半径、外环半径的影响, 并进一步分析讨论CQDRs的形成过程.
本实验中, 所有样品制备均在Omicron公司制造的超高真空分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)系统中完成. 衬底采用可直接外延的n+ GaAs (001)单晶片, 掺硫(S)杂质浓度为1.0 × 1017—3.0 × 1018 cm–3. 在实验之前, 用束流监测器(beam flux monitor, BFM)对不同温度下各Ga, As源的等效束流压强进行校准. 衬底在580 ℃完成脱氧后将衬底温度降至550 ℃, 以0.25 ML/s (monolayer/second, ML/s)的生长速率同质外延126 nm的GaAs缓冲层, 同心量子双环的生长将在该缓冲层上进行. 采用三步法制备同心量子双环: 第一步, 将衬底温度降至430 ℃, 在零As压下分别以Ga液滴沉积速率为0.09 ML/s, 0.154 ML/s, 0.25 ML/s和0.43 ML/s沉积10 ML的Ga液滴; 第二步, 将衬底温度由430 ℃降至340 ℃, 在As等效束流压强为8.8 × 10–4 Pa的条件下晶化20 s; 第三步, 将衬底温度由340 ℃升至410 ℃, 在同样的As等效束流压强下晶化10 min. 最后, 完成以上生长后的样品在零As压下淬火至室温后取出, 送往原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)表征其表面形貌.
图1所示为不同Ga液滴沉积速率下的CQDRs的2 μm × 2 μm AFM图像. 从图1(a)(d)可以看出CQDRs的尺寸与密度有明显的差异, 其中图1(c)图1(d)中存在尺寸较小的CQDRs. 各图中CQDRs的密度分别为(a) 2.75 × 108 cm–2, (b) 3.5 × 108 cm–2, (c) 6 × 108 cm–2, (d) 7.25 × 108 cm–2. 可以看出, 随着Ga液滴沉积速率的增加CQDRs的密度明显升高, 这是因为沉积相同量(10 ML)时形成Ga液滴所需的弛豫时间会随着Ga液滴沉积速率的增加而减少, 且吸附在GaAs表面的Ga原子的扩散长度会随着Ga液滴的沉积速率的增加而变短[19], 较长的弛豫时间意味着会有更多的Ga原子通过扩散、汇聚形成较大的Ga液滴, 从而使得CQDRs的密度随着Ga液滴沉积速率增加而升高. 图1(c)图1(d)两图中出现尺寸不一的CQDRs正是因为沉积时间短, Ga原子在扩散、汇聚的过程中便被晶化, 所以出现尺寸较小的CQDRs. 另外, CQDRs在[$1\bar 10$]方向高度相对较高, 而[110]方向的扩散比较明显. 这种差异可以归结为Ga原子在GaAs(001)表面扩散系数的各向异性. 中心孔洞的形成由Ga液滴在GaAs衬底的刻蚀行为造成: 沉积在GaAs衬底表面的Ga液滴与GaAs衬底的浸润面是富Ga区域, 具有较高能量的Ga原子使GaAs衬底局域温度升高, 这使衬底Ga-As键断裂, As原子逸出GaAs衬底表面, 即Ga原子刻蚀GaAs衬底过程, 从而形成中心孔洞.
图 1 不同Ga液滴沉积速率下CQDRs的AFM形貌图像(a) 0.09 ML/s; (b) 0.154 ML/s; (c) 0.25 ML/s; (d) 0.43 ML/s
Figure1. AFM morphologies of CQDRs formed at different Ga droplet deposition rates: (a) 0.09 ML/s; (b) 0.154 ML/s; (c) 0.25 ML/s; (d) 0.43 ML/s.

造成这种CQDRs密度差异的原因可以追溯到金属Ga液滴形成阶段的经典成核理论[20,21]中最大团簇密度. 假设能到达GaAs(001)衬底表面的Ga原子浓度为${n_1}$, Ga原子的沉积速率为R, 我们可以将Ga原子在GaAs(001)表面的速率方程表示为
${\rm{d}}{n_1}/{\rm{d}}t = R - {n_1}/\tau , $
其中${\tau ^{ - 1}}$可看作使Ga原子数目减少的所有过程寿命的倒数(解吸附过程$\tau _{\rm{a}}^{ - 1}$、成核过程$\tau _{\rm{n}}^{ - 1}$、被团簇捕获过程$\tau _{\rm{c}}^{ - 1}$)的总和,
${\tau ^{ - 1}} = \tau _{\rm{a}}^{ - 1} + \tau _{\rm{n}}^{ - 1} + \tau _{\rm{c}}^{ - 1}.$
为了得到大量Ga原子成核后的最大团簇密度的表达式, 可以根据统计力学写出包含i个Ga原子临界团簇的密度${n_i}$:
${n_i}/{N_0} = {C_i}{\left( {{n_1}/{N_0}} \right)^i}\exp \left( {{E_i}/kT} \right), $
式中${N_0}$为GaAs (001)表面晶格格点密度, ${{{C}}_i}$为统计权重, ${E_i}$为临界团簇的自由能, k是玻尔兹曼常数, T为绝对温度(K).
参考(1)式的速率方程可将包含j个Ga原子的团簇的生长速率方程表示为
${\rm{d}}{n_j}/{{\rm d}t} = {U_{j - 1}} - {U_j}, $
其中${U_j}$为Ga原子被含有j个Ga原子团簇捕获的网格率, 其表达式为
${U_j} = {\sigma _j}D{n_1}{n_{j - 1}} - {n_j}\left\{ {{\nu _{\rm d}}\exp \left[ { - \left( {\Delta {E_j} + {E_{\rm d}}} \right)/kT} \right]} \right\}, $
其中${\sigma _j}$为捕获数目, D为扩散系数, ${\nu _{\rm{d}}}$为Ga原子扩散振动频率, ${E_{\rm d}}$为扩散激活能.
假设Ga原子最大团簇密度为${n_{{x}}}$, 将所有$j > i$的团簇认为是稳定的, 可以得到一个重要近似条件:
${\rm{d}}{n_{{x}}}/{{\rm d}t} = {U_i} = {\sigma _i}D{n_1}{n_i}.$
联立(1)—(6)式即可得到Ga原子最大团簇密度的一般表达式:
${n_{{x}}} \propto {\left( {R/\upsilon } \right)^P}\exp \left( {E/kT} \right), $
其中, $\upsilon $表示Ga原子振动频率; P是决定于Ga原子临界成核原子数目的特征值; E是Ga原子成核能, 关于E在不同条件下的表达式, 文献[21]中有详细叙述, 这里不做讨论. 在本实验中, 其他参量可以认为是不变的, 所以CQDRs的密度${n_{{x}}}$和Ga液滴沉积R应该满足幂指函数关系; 图2所示为CQDRs的密度${n_{{x}}}$和Ga液滴沉积速率R的双对数关系曲线$\ln {n_{{x}}} \propto P\ln R - P\ln \upsilon + \left( {E/kT} \right)$, 实线为最佳线性拟合直线, 该直线的斜率为$P = 0.663$.
图 2 GaAs 的CQDRs密度与Ga液滴沉积速率ln-ln图像
Figure2. Density of GaAs CQDRs plotted as a function of Ga droplet deposition rate in logarithm scale.

Ga液滴为3D岛, 根据成核过程的原子数目i与特征值P之间的依赖关系[21], 将游离态、初始凝聚态和完全凝聚态中的原子数目i与特征值P之间的关系式绘制为图3, 其中:
图 3 三种状态的P-i图像(I区, 游离区; II区, 初始凝聚区; III区, 过渡区; IV区, 成核区)
Figure3. P-i graph of three states. Zone I, extreme incomplete condensation state; zone II, initially incomplete condensation state; zone III, transition state; zone IV, nucleation state.

$P = \frac{2}{3}i,\; \text{完全不凝聚态或游离态}, $
$P = \frac{2}{5}i, \;\text{初始凝聚态}, $
$P = \frac{i}{{i + 2.5}},\; \text{完全凝聚态}.$
图3所示的P-i三支函数线将该图像分成四个区域, 将这四个区域定义为: I区为游离区; II区为初始凝聚区; III区为过渡区; IV区为成核区. 我们已由CQDRs密度和Ga液滴沉积速率间的关系拟合出P = 0.663. 图3中所示的水平虚线为P = 0.663, 可以看出该虚线与完全凝聚态的曲线的交点横坐标为4.9184 $\approx $ 5. 这对理解本实验的Ga液滴成核过程是至关重要的. 当Ga原子沉积到GaAs衬底表面时, 这时候的Ga原子是游离的单个原子; 接下来, 两个Ga原子相遇形成二聚体, 但这些二聚体还不是最稳定的结构, 部分二聚体在衬底温度及应力的作用下可能还会再次离解, 一部分二聚体不断吸附Ga原子形成二聚体团簇直到形成含有5个Ga原子的稳定的“小晶胚”; 含有5个Ga原子的“小晶胚”边扩散边吸附其他Ga原子, 不断地汇聚形成较大的Ga液滴.
由于Ga原子在[110]上的扩散比较明显, 为进一步探讨Ga液滴沉积速率对第一次晶化(实验第二步)和第二次晶化过程(实验第三步)的影响, 本文测量并统计CQDRs在[110]方向的内环平均半径${W'_{\rm{Inner}}}$、外环平均半径${W'_{\rm{Outer}}}$; 为保证测量的准确性, 直接测量量为内环直径${W_{\rm{Inner}}}$、外环直径${W_{\rm{Outer}}}$. 图4(a)为测量示意图, 不难看出: ${W'_{\rm{Inner}}} = $$ {W_{\rm{Inner}}}/2$, ${W'_{\rm{Outer}}} = {W_{\rm{Outer}}}/2$. 图4(b)为内环平均半径${W'_{\rm{Inner}}}$随Ga液滴沉积速率变化的拟合曲线, 图4(c)为外环平均半径${W'_{\rm{Outer}}}$随Ga液滴沉积速率变化的拟合曲线. 图4(b)中, 当Ga液滴沉积速率由0.09 ML/s增加到0.43 ML/s时, 内环半径从83.30 nm逐渐降低到53.33 nm; 同时, 图4(c)中的外环半径从119.56 nm减少到93.65 nm. 这是因为随着沉积速率的增加, Ga原子扩散、汇聚的时间变短, 统计平均而言, 形成的Ga液滴所包含的Ga原子数目减少, 晶化前的Ga液滴较小, 从而内环半径和外环半径在相同的晶化条件下均逐渐减小.
图 4 CQDRs 内、外环半径拟合曲线图及测量示意图 (a) 内外环测量示意图; (b) 内环平均半径拟合曲线图; (c) 外环平均半径拟合曲线图
Figure4. Fitting curves and the measurement schematic diagram of the radii of inner and outer ring for CQDRs: (a) Schematic diagram of inner and outer ring measurement; (b) fitting curve of the inner ring average radii; (c) fitting curve of the outer ring average radii.

图5所示的CQDRs形成过程, 可以更加直观地理解CQDRs的形成, 图5(a)为Ga液滴的形成过程, 在该过程中Ga原子通过成核、扩散、汇聚成较大的类似半椭球体形状的Ga液滴以减少表面能而达到稳定状态. 图5(b)为第一次晶化过程, 在浓度梯度和温度的共同驱动下, Ga原子向外扩散, 在As氛围中, As原子会优先在Ga液滴边缘处和As原子结合而快速晶化形成一定高度的Ga—As单层. 由于形成的Ga—As单层有一定高度, 且晶化时间有限, 这会阻碍部分Ga原子的进一步向外扩散. 同时, 由于Ga液滴和衬底的浸润区域为富Ga区域, 即使在提供As束流的条件下, 在Ga液滴中央也会发生衬底表面的Ga—As键的断裂, 也即是液滴的刻蚀过程. 图5(c)为第二次晶化过程, 部分Ga原子继续扩散, 在As束流的晶化作用下, 形成了外环, Ga液滴的刻蚀过程继续进行.
图 5 CQDRs形成过程示意图 (a) Ga液滴形成过程; (b) 第一次晶化过程; (c) 第二次晶化过程
Figure5. Schematic diagrams of CQDRs formation process: (a) The formation process of Ga droplet; (b) first crystallization process; (c) second crystallization process.

本文采用DE方法在GaAs(001)衬底上制备CQDRs, 并通过AFM形貌图像及成核理论研究Ga液滴沉积速率对CQDRs的影响. 研究结果发现: 随着Ga液滴沉积速率的增加, CQDRs的密度增加, 内外环半径均降低. 根据成核理论, 借助最大团簇密度和Ga液滴沉积速率之间的函数关系, 拟合并计算出Ga液滴形成阶段临界成核原子数目为5, 即稳定的Ga原子晶核至少包含5个Ga原子, 并绘制成核过程状态转化图, 深入分析了Ga液滴形成过程. 相关研究结果对DE法制备密度可控的GaAs同心量子双环具有一定的指导意义.
相关话题/过程 实验 图像 测量 结构

  • 领限时大额优惠券,享本站正版考研考试资料!
    大额优惠券
    优惠券领取后72小时内有效,10万种最新考研考试考证类电子打印资料任你选。涵盖全国500余所院校考研专业课、200多种职业资格考试、1100多种经典教材,产品类型包含电子书、题库、全套资料以及视频,无论您是考研复习、考证刷题,还是考前冲刺等,不同类型的产品可满足您学习上的不同需求。 ...
    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • 超声背散射骨质评价中的频散衰减测量与补偿
    摘要:超声背散射法已逐渐应用于骨质的评价与诊断.相比于人体软组织,致密多孔的骨组织中超声衰减大,导致接收到的超声信号微弱,频散失真严重.骨组织的超声频散衰减通常由超声透射法测量.然而,透射法测量的超声衰减为传播路径上组织介质衰减的平均值,无法区分软组织、皮质骨及松质骨的衰减效应,无法测量感兴趣区域内 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • Fe, Co, Ni掺杂GaSb的电子结构和光学性质
    摘要:运用第一性原理LDA+U方法(考虑了交换关联项的HubbardU修正的局域密度近似方法)研究了过渡族金属X(X=Fe,Co,Ni)掺杂GaSb的电子结构和光学性质.研究结果表明:X掺杂均能提升GaSb半导体材料对红外光区光子的吸收幅度,并能有效提高GaSb材料的光催化性能;过渡金属X在GaSb ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 碳纳米管与氮化硼纳米管内铝纳米线的形成及其复合结构抗压特性的模拟研究
    摘要:采用分子动力学方法分别对管内充以铝原子碳纳米管(CNT)与氮化硼纳米管(BNNT)进行了结构性能研究.优化结果显示:(5,5)CNT和BNNT内均能形成一束一维铝纳米线(AlNW);(10,10)管内形成的是多束AlNW,其中(10,10)CNT内形成的是11束高度轴对称一维AlNW,而(10 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • Ga, Ge, As掺杂对锂离子电池正极材料Li<sub>2</sub>CoSiO<sub>4</sub>的电化学特性和电子结构影响的第一性原理研究
    摘要:由于硅酸盐类正极材料Li2CoSiO4具有较高的理论放电容量而受到广泛关注,但其较高的放电平台使得现有电解液无法满足使用要求而限制了其进一步的应用和发展.本文运用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,结合Hubbard修正的广义梯度近似(GGA+U),系统地研究了Ga,Ge和As掺杂对L ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 矩形纳米狭缝超表面结构的近场增强聚焦调控
    摘要:为了实现对入射光的近场亚波长增强聚焦,设计了一种由内部矩形纳米狭缝圆环阵列和外部多圆环狭缝构成的超表面结构,得到了该结构激发的表面等离激元电场表达式,并从物理机理上解释了该结构中心聚焦及增强聚焦的原理.利用时域有限差分方法仿真研究了该超表面结构在不同偏振态入射光下的激发场聚焦特性.根据理论推导 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 镍层间掺杂多层石墨烯的电子结构及光吸收特性研究
    摘要:采用密度泛函理论计算分析镍原子层间掺杂对多层石墨烯电子结构和光吸收性能的影响.计算结果表明,掺杂镍原子后的石墨烯电子结构发生了改变,双层和三层石墨烯的带隙均可打开,最大带隙为0.604eV;镍原子掺杂后的石墨烯d轨道电子的态密度在费米能级处产生尖峰效应,体系等离子能量增强;介电常数虚部和消光系 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 共振X射线衍射研究高温超导Sr<sub>2</sub>CuO<sub>3.4</sub>晶体中的调制结构
    摘要:为了进一步研究Sr2CuO3.4高温超导样品中调制结构与超导电性关系,本文对其调制结构形成机制提出了一种新的解释.采用同步辐射共振X射线衍射技术在CuK边附近探测调制结构随入射光能量的变化,探测到Cu2+,Cu3+变价有序,并用于解释Sr2CuO3.4高温超导样品中调制结构的形成机制.实验结果 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 外电场作用下MoS<sub>2</sub>的分子结构和电子光谱
    摘要:各种新型材料改善了人类的生产和生活,二维纳米材料更以其独特的物理化学性质成为了研究的热点.二硫化钼(MoS2)作为过渡金属硫化物的代表,具有优异的机械性能和化学稳定性,为研究其外场效应,本文采用密度泛函理论方法优化了MoS2分子在0—0.1a.u.(0—5.1423×1010V/m)的静电场中 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 构建核壳结构增强Ho<sup>3+</sup>离子在镥基纳米晶中的红光上转换发射
    摘要:本文主要以具有六方相结构的NaLuF4:Yb3+/Ho3+/Ce3+纳米晶体为核,采用外延生长法构建具有同质结构的NaLuF4:Yb3+/Ho3+/Ce3+@NaLuF4:Yb3+核壳纳米晶体.借助X-射线衍射仪及透射电子显微镜对样品的晶体结构、形貌及尺寸进行表征.在近红外光980nm激光激发 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 酞菁晶体结构与荧光性质的压力调控
    摘要:酞菁是一种重要的有机光电材料,关于其晶体结构和光电性质间的内在关联尚存争议.本文利用高压原位拉曼散射光谱及荧光光谱技术对酞菁晶体在高压下的结构转变和光学性质进行了研究.当压力达到12.0GPa时,酞菁分子本身仍保持稳定,没有发生开环反应.酞菁晶体结构在压力作用下由α相逐渐转变为χ相,这一转变在 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29