硅(001)图形衬底上锗硅纳米线的定位生长

纳米线的定位生长是实现纳米线量子器件寻址和集成的前提.结合自上而下的纳米加工和自下而上的自组装技术,通过分子束外延生长方法,在具有周期性凹槽结构的硅(001)图形衬底上首先低温生长硅锗薄膜然后升温退火,实现了有序锗硅纳米线在凹槽中的定位生长,锗硅纳米线的表面晶面为(105)晶面.详细研究了退火温度、硅锗的比例及图形周期对纳米线形成与否,以及纳米线尺寸的影响.     

等离子体增强化学气相沉积法实现硅纳米线掺硼

用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法成功实现硅纳米线的掺B.选用Si片作衬底，硅烷 （SiH4）作硅源，硼烷（B2H6）作掺杂气体， Au作催化剂，生长温度440℃.基于气-液-固(VLS)机制，探讨了掺B硅纳米线可能的生长机制.PECVD法化学成分配比更灵活，更容易实现纳米线掺杂，进一步有望生长硅纳米线pn结，为研制纳米量级器件提供技术基础. 关键词： 硅纳米线 化学气相沉积 纳米器件     

Si纳米线的固-液-固可控生长及其形成机理分析

以Au膜作为金属催化剂,直接从n-(111)Si单晶衬底上制备了直径为30—60nm和长度从几微米到几十微米的高质量Si纳米线.实验研究了Au膜层厚、退火温度、N2气流量和生长时间对Si纳米线形成的影响.结果表明,通过合理选择和优化组合上述各种工艺条件,可以实现直径、长度、形状和取向可控的纳米线生长.基于固-液-固生长机理,定性阐述了Si纳米线的形成过程.     

硅纳米线的PEOVD生长研究

本文以硅烷（SiH4）为反应气体,利用等离子体化学气相沉积（PECVD）方法在硅（100）衬底上生长硅纳米晶体、纳米线。应用扫描电镜观察不同条件下生长的样品表面,发现衬底条件对硅纳米结构的影响十分显著。在温度、压强等其它条件相同的情况下,对硅衬底应用Fe^3＋催化剂处理后,呈纳米线状结构生长,而无Fe催化剂涂覆情况下,基本呈纳米晶体状生长,说明催化剂对si纳米线的生成起了重要的促进生长作用。通过进一步研究硅纳米晶体、纳米线的等离子增强化学气相生长机理,发现它们以气-液-固（VLS）机制生长。     

ZnO纳米线的合成与生长机理

采用化学气相沉积系统制备ZnO纳米线,以覆盖一层约5nm厚的Ag薄膜的单晶Si(001)为衬底,纳米线的生长遵循气-液-固(VLS)机理。对得到的样品采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)进行晶体结构和形貌的表征。XRD结果表明衬底温度在600~700℃时生长的ZnO纳米线具有六方结构和统一的取向。通过扫描电子显微镜分析,比较了生长温度对纳米线直径和长度的影响。实验表明我们可以通过催化剂和温度来实现ZnO纳米线生长的可控。与传统的VLS生长方式不同的是在我们制备的ZnO纳米线顶端并没有看到催化剂颗粒,表明纳米线的生长方式是底部生长,我们对其生长机理进行了研究。     

氧化钨纳米线气敏传感器的制备及其室温NO_2敏感特性

纳米结构的氧化钨有高比表面积和气体吸附能力,在气体传感器领域得到了广泛研究.本文采用磁控溅射金属钨薄膜和两步热氧化工艺在二氧化硅衬底上生长出氧化钨纳米线.通过改变第二步氧化温度,研究退火温度对氧化钨纳米线气敏特性的影响.采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱分析仪和透射射电子显微镜表征材料的微观特性和晶体结构,利用静态配气法测试气敏性能.研究结果表明,经过退火处理后氧化钨纳米线密度略微降低,300℃比400℃退火后的氧化钨结晶性差,对应的表面态含量多,有利于室温气体敏感性.测试NO_2的气敏性能,经过对比得出300℃退火温度下制备的氧化钨纳米线在室温下表现出较很好的气敏响应,对6 ppm(1 ppm=10~(-6))NO_2达到2.5,对检测极限0.5 ppm NO_2响应达1.37.氧化钨纳米线在室温下表现出反常的P型响应,是因为氧化钨纳米线表面被氧气吸附形成反型层,空穴取代电子成为主要载流子所致.     

X射线光电子能谱法研究硅纳米线的能带结构

制备了氧辅助热分解法,以一氧化硅为原料,以氩气为载气,维持管内压强为1000Pa,在高温炉中于1250℃下反应5 h后得到硅纳米线。硅纳米线经5%氢氟酸水溶液处理5 min后,与1×10-3 mol·L-1的氯化金溶液中反应5 min,在硅纳米线的表面上修饰了金纳米粒子,用X射线粉末衍射表征了产物的结构,同时观察到单质硅和金的XRD图谱;用电子扫描和透射显微镜观察了产物的形貌,表明氧辅助方法可制得大量均匀的硅纳米线,修饰在硅纳米线上的金纳米点形状整齐,尺寸均匀,平均直径约8 nm;并用X射线光电子能谱分析了修饰过程中能带结构的变化。结果表明,金纳米粒子表面带负电,它在施主能级和受主能级上都有电子存在;由于氧杂质的存在,硅纳米线的费米能级移向价带顶。     

退火温度对富硅氮化硅薄膜发光特性和结构的影响

采用直流等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在(100)单晶硅片表面生长富硅氮化硅薄膜,研究了不同的退火温度对氮化硅薄膜发光性质和结构的影响。研究发现,随着退火温度的升高,氮化硅薄膜的发光强度逐渐减弱,发光是由缺陷能级引起的,在900 ℃时荧光基本消失。XPS测试表明,在N₂氛围900 ℃下退火,氮化硅薄膜中未有硅相析出,故未表现出硅量子点的发光。FTIR测试也为PL结论提供了一定的证据。     

Cu/SiO2/Si(111)体系中Cu和Si的扩散及界面反应

室温下利用磁控溅射在p型Si(111)衬底上沉积了Cu薄膜.利用X射线衍射和卢瑟福背散射分别对未退火以及在不同温度点退火后样品的结构进行了表征.在此基础上,研究了Cu/SiO2/Si(111)体系的扩散和界面反应.实验结果表明:当退火温度高于450 ℃时出现明显的扩散现象,并且随着温度的升高,体系扩散现象会更加显著.当退火温度低于450 ℃时没有铜硅化合物生成,当温度达到500 ℃时才有铜硅化合物生成.     

退火工艺对含硅量子点SiC_x薄膜光谱特性的影响

采用磁控共溅射法并结合微波退火和快速光热退火工艺,在不同退火温度下制备了含硅量子点的富硅SiC_x薄膜。采用掠入射X射线衍射(GIXRD)、拉曼光谱和光致发光(PL)光谱技术对薄膜进行了表征,研究了退火工艺对薄膜中硅量子点数量、尺寸、晶化率以及发光峰的影响。结果表明:与快速光热退火相比,微波退火不但能降低硅量子点的形成温度(降低200℃),而且还能降低β-SiC量子点的形成温度(降低100℃);在相同退火温度下,微波退火制备的硅量子点的数量更多、晶化率更高、光致发光峰更强;采用1000℃温度的微波退火样品的硅量子点数量最多、尺寸最大(5.26nm)、晶化率最高(74.25%)、发光峰最强,说明微波退火能凝析出高质量的硅量子点。     

The effect of substrate surface roughness on ZnO nanostructures growth

The ZnO nanowires have been synthesized using vapor-liquid-solid (VLS) process on Au catalyst thin film deposited on different substrates including Si(1 0 0), epi-Si(1 0 0), quartz and alumina. The influence of surface roughness of different substrates and two different environments (Ar + H₂ and N₂) on formation of ZnO nanostructures was investigated. According to AFM observations, the degree of surface roughness of the different substrates is an important factor to form Au islands for growing ZnO nanostructures (nanowires and nanobelts) with different diameters and lengths. Si substrate (without epi-taxy layer) was found that is the best substrate among Si (with epi-taxy layer), alumina and quartz, for the growth of ZnO nanowires with the uniformly small diameter. Scanning electron microscopy (SEM) reveals that different nanostructures including nanobelts, nanowires and microplates have been synthesized depending on types of substrates and gas flow. Observation by transmission electron microscopy (TEM) reveals that the nanostructures are grown by VLS mechanism. The field emission properties of ZnO nanowires grown on the Si(1 0 0) substrate, in various vacuum gaps, were characterized in a UHV chamber at room temperature. Field emission (FE) characterization shows that the turn-on field and the field enhancement factor (β) decrease and increases, respectively, when the vacuum gap (d) increase from 100 to 300 μm. The turn-on emission field and the enhancement factor of ZnO nanowires are found 10 V/μm and 1183 at the vacuum gap of 300 μm.     

SiNWs:Tb3+的光学稳定性及Si纳米线对其发光特性的影响

荧光纳米材料不但具备纳米材料的优势,同时还具有优异的光学性质,被广泛应用于荧光标记、离子识别、荧光免疫分析、光学成像和医学诊断等方面。因此,荧光纳米材料的制备、结构分析和荧光特性等方面的研究备受人们的关注。为了获得发光强度大、荧光量子效率高和制备过程可控的Si基荧光纳米材料,实验进一步研究了Si纳米线对样品发光特性的影响和样品的光学稳定性。首先,基于固-液-固生长机制,在反应温度为1 100 ℃、N₂气流量为1 500 sccm、生长时间为15～60 min等工艺条件下,分别以“抛光”和“金字塔”织构表面的单晶Si(100)为衬底,生长出不同长度和分布的Si纳米线;以Au或Au-Al合金膜层作为金属催化剂,生长出密度分别约为108和1010 cm-2的Si纳米线;然后,利用L4514自动控温管式加热炉,基于高温固相法,在温度为1 100 ℃、掺杂时间为60 min和N₂气流量为1 000 sccm等工艺条件下,以高纯Tb₄O₇(99.99%)粉末为稀土掺杂剂对不同Si纳米线衬底进行稀土掺杂,制备一系列的荧光纳米材料SiNWs:Tb3+样品;室温下利用Hitachi F-4600型荧光分光光度计,固定激发光波长为243 nm、激发光狭缝为2.5 nm、发射光狭缝为2.5 nm、扫描波长范围为450～650 nm、光电倍增管(photomultiplier lube, PMT)电压为600 V等参数下,测量了不同样品的光致发光特性;最后,实验测试了该荧光纳米材料的光学稳定性,如时间(0～30 d)、温度(300～500 K)、酸碱(pH 1和11)、抗光漂白(0～120 min)等稳定性以及水溶性和分散性。结果显示,在衬底为“金字塔”织构表面上、生长时间为30 min、以Au为金属催化剂等条件下制备的Si纳米线为Tb3+掺杂衬底时,SiNWs:Tb3+的绿光发射强度较大,其发光强峰值位于554 nm,属于能级5D₄→7F₅的跃迁,另外在波长为494,593和628 nm出现了三条发光谱带,它们分别属于能级5D₄→7F₆,5D₄→7F₄和5D₄→7F₃的跃迁。另外,样品展示出了优异的时间、温度、酸碱和抗光漂白等光学稳定性,同时还具有良好的水溶性和分散性。如温度升高到500 K时,光发射强度仅降低了约8.9%左右;抗光漂白能力较强,用波长为365 nm、功率为450 W的紫外光源照射120 min,样品的绿光发射强度无衰减;酸、碱稳定性好,在pH 1的强酸(HCl)溶液中120 min未见衰减,在pH 11的强碱(NaOH)溶液中15 min内衰减较小, 随后发光强度出现了缓慢下降的趋势;当60 min后,样品的发光强度变得极其微弱。分析认为,在SiNWs:Tb3+表面有一层SiO₂包覆层,而NaOH溶液容易和SiO₂发生化学反应,随着时间延长SiO₂层被破坏,故样品发光强度降低;样品溶于水中放置30 d未见沉淀物,发光亮度均匀且分散性较好。在研究了制备温度、气体流量和掺杂时间等工艺条件之后,深入研究了Si纳米线自身变化对Tb3+绿光发射的影响。该材料展示出了良好的光学稳定性、水溶性和分散性,使其作为荧光标记物具有一定的应用价值。     

温度对Si衬底上低压MOCVD外延生长ZnS薄膜质量的影响

用低压MOCVD系统在(111)Si衬底上,用两步生长方法(改变/流量比)在300～400℃时外延生长了ZnS单晶薄膜。随着衬底温度的降低,ZnS薄膜结晶质量提高,并在300℃生长时获得结晶完整性较好的(111)ZnS单晶薄膜。文中讨论了衬底温度对薄膜质量的影响。     

激光剥离技术实现垂直结构GaN基LED

为改善GaN基发光二极管(Light-emitting diode,LED)的电学特性和提高其输出光功率,采用激光剥离技术,在KrF准分子激光器脉冲激光能量密度为400mJ/cm2的条件下,将GaN基LED从蓝宝石衬底剥离,结合金属熔融键合技术,在300℃中将GaN基LED转移至高电导率和高热导率的硅衬底,制备出了具有垂直结构的GaN基LED,并对其电学和光学特性进行了测试。结果表明:在110mA注入电流下,垂直结构器件的开启电压由普通结构的3.68V降低到了3.27V;在560mA注入电流下,器件输出光功率没有出现饱和现象;采用高电导率和高热导率的硅衬底能有效地改善GaN基LED的电学和光学特性。     

定向ZnO纳米钉阵列的制备及生长机理

在550 ℃下,采用化学气相沉积(CVD)法在镀Au(10 nm)的Si(100)衬底上,制备了ZnO一维纳米钉阵列结构。X射线衍射(XRD)谱图中只显示了(002)衍射峰,其半峰全宽为0.166°,表明制备的纳米钉阵列具有高度c轴择优生长取向的特点和较高的结晶质量,高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和选区电子衍射图(SAED)谱的结果表明所得到的单根纳米钉为沿(002)生长的单晶结构;同时,对一维纳米钉阵列的生长机理进行了分析。结果表明:由于Si与ZnO之间大的晶格失配度,首先在Si表面沉积一层富Zn的ZnO_x薄膜缓冲层,然后通过VLS机理中的底端生长模式生长成为纳米钉阵列结构。     

Kinetics of surface droplet epitaxy and its application to fabrication of mushroom-shaped metal/Si heterostructure on nanometer scale

The variation in interfacial reaction between Au islands and Si substrates and the fabrication of a Au/Si heterojunction on a nanometer scale are described. Morphologies and elemental distribution were drastically changed around the interface between Au islands and the Si substrate on changing the surface conditions of the substrate. In particular, the Au/Si bilayer structure was formed on the clean Si surface by thermal annealing instead of the well-known interdiffusion of the two elements. This structure was fabricated through liquid phase epitaxy (LPE), in which migrating Si atoms on the surface play an important role. These results suggest that the kinetics of the interfacial reaction are variable and controllable even within the same material system. On the basis of this phenomenon, mushroom-shaped bilayer dots of Au/Si and Ag/Si were fabricated on a nanometer scale by employing metal particles as the transport medium for Si growth.     

Formation of rippled surface morphology during Si/Si （100） epitaxy by ultrahigh vacuum chemical vapour deposition

The Si epitaxial films are grown on Si (100) substrates using pure Si2H6 as a gas source using ultrahigh vacuum chemical vapour deposition technology. The values of growth temperature T_g are 650 ℃, 700 ℃, 730 ℃, 750 ℃, and 800 ℃. Growth mode changes from island mode to step-flow mode with T_g increasing from 650 ℃ to 700 ℃. Rippled surface morphologies are observed at T_g = 700 ℃, 730 ℃, and 800 ℃, but disappear when T_g = 750 ℃. A model is presented to explain the formation and the disappearance of the ripples by considering the stability of the step-flow growth.     

Tb掺杂Si纳米线的光致发光特性

以金属Au-Al为催化剂,在温度为1 100 ℃,N₂气流量为1 500 sccm、生长时间为30 min,从Si(100)衬底上直接生长了直径约为50～120 nm、长度为数百纳米的高密度、大面积的Si纳米线。然后,利用Tb₂O₃在不同温度(1 000～1 200 ℃)、掺杂时间(30～90 min)和N₂气流量(0～1 000 sccm)等工艺条件下对Si纳米线进行了Tb掺杂。最后,对Si(100)衬底进行了Tb掺杂对比。室温下,利用荧光分光光度计(Hitachi F-4600) 测试了Tb掺杂Si纳米线的光致发光特性。实验研究了不同掺杂工艺参数(温度、时间和N₂气流量)对Tb3+绿光发射的影响。根据Tb3+能级结构和跃迁特性对样品的发射光谱进行了分析。结果表明,在温度为1 100 ℃,N₂气流量为1 500 sccm、时间为30 min等条件下制备的Si纳米线为掺杂基质,Tb掺杂温度为1 100 ℃,N₂气流量为1 000 sccm、光激发波长为243 nm时,获得了最强荧光发射,其波长为554 nm(5D₄→7F₅),同时还出现强度相对较弱的494 nm(5D₄→7F₆),593 nm(5D₄→7F₄)和628 nm(5D₄→7F₃)三条谱带。Tb掺杂的体Si衬底在波长554 nm处仅有极其微弱的光致发光峰。     

Temperature-Controllable Preparation of ZnS Nanosaws on Si Substrate

A large number of ZnS nanosaws are synthesized on Si substrates in the presence of Au catalyst by thermally evaporating ZnS powder. Morphologies and structures of thus-grown ZnS nanosaws are characterized by a field emission scanning electron microscopy （FE-SEM） and a transmission electron microscopy （TEM）. The results show that temperature of the Si substrates used for collection of the products is a critical experimental parameter for the formation of ZnS nanostruetures with different morphologies. The growth mechanism of the ZnS nanosaws is discussed on the basis of the experimental findings.     

Electrochemical Au deposition on stepped Si(1 1 1)-H surfaces: 3D versus 2D growth studied by AFM and X-ray diffraction

In order to grow magnetic layers on silicon substrates, a non-magnetic buffer layer is often needed to avoid silicide formation and to reproduce the perpendicular magnetic anisotropy obtained on metal single crystals, as in the case of Co on Au(1 1 1) and Pt(1 1 1). In this context, we have studied the electrochemical growth of Au buffer layers, and show that it is possible to obtain different film morphologies on hydrogen-terminated vicinal Si(1 1 1) surfaces by varying the electrochemical deposition parameters and solution composition. Two different morphologies have been obtained as observed by atomic force microscopy: continuous 2D Au films (chloride solution at pH 4), and films consisting in flat top 3D Au islands decorating the Si(1 1 1) step edges (cyanide solution at pH 14). X-ray diffraction measurements reveal that the gold layer and islands have Au(1 1 1) orientation and are in epitaxy with the Si(1 1 1) surface. In the case of islands, the lateral facets have also Au(1 1 1) orientation. Results are discussed within a model in which the breaking of the Si-H surface bonds plays a major role in the Au nucleation and growth mechanisms.