In原子在GaAs(001)表面的成核与扩散研究

近年来,半导体量子点特别是InAs量子点的基本物理性质和潜在应用得到了广泛研究。许多研究者利用InAs量子点结构的改变以调制其光电特性。本文采用液滴外延法在GaAs(001)表面沉积了不同沉积量的In(3 ML、4 ML、5 ML),以研究In的成核机制和表面扩散。实验发现,随着In沉积量的增加,液滴尺寸(包括直径、高度)明显增大。不仅如此,在相同的衬底温度下,沉积量越大,液滴密度越大。利用经典成核理论,计算了GaAs(001)表面In液滴形成的临界厚度为0.57 ML,计算的结果与已报道的实验一致。从In原子在表面的迁移和扩散,以及衬底中Ga和液滴中的In之间的原子互混原理解释了In液滴形成和形貌演化的机理。实验中得到的In液滴临界厚度以及In液滴在GaAs(001)上成核机理,可以为制备InAs量子点提供实验指导。     

衬底温度对Ga液滴在Al_(0.4)Ga_(0.6)As表面形成纳米结构的影响

本文研究了不同衬底温度对Ga液滴在Al_(0.4)Ga_(0.6)As表面形成纳米结构的影响,当300℃≤T≤380℃时,Ga液滴演化成纳米孔(Nanohole)和盘状结构(diffusion halo),纳米结构的尺寸随温度升高而增大.当T≥385℃时,盘状结构消失,形成一定平坦的Al_xGa_(1-x)As薄膜,Ga液滴在界面处继续向下刻蚀直至耗尽,形成平均直径为75 nm,平均孔深为5.52 nm的纳米孔.本文还通过盘状结构测出平均扩散长度△R,并拟合出Ga原子在Al_(0.4)Ga_(0.6)As表面的激活能E_A=0.78(±0.01) eV和扩散前因子D_0=0.15(×4.1~(±1))10~(-2 ) cm~2s~(-1).     

图形衬底对多周期InGaAs量子点自组装生长的影响

量子点器件技术广泛应用于量子计算和光电器件上.成核位置的均匀性、有序性和尺寸一致性,可以有效提高光电器件性能.为了实现阵列量子点的可控性,本文采用湿法刻蚀制备图形化衬底,理论上解释了铟原子在图形化衬底上成核现象,产生有序的量子点分布特征,发现图形衬底的缺陷诱导在平台边缘和沟壑边缘成核,形成较大的量子点.在Stranski-Krastanow模式下图形衬底制备多周期量子点,发现多周期生长可以弱化台阶结构对量子点分布的限制作用.     

随机空间柔性多体系统动力学分析

轻质、高精度的柔性多体系统被广泛应用于实际工程领域中.由于实际设计公差、制造误差及环境温度等多种不确定因素的存在,使得柔性多体系统的结构参数(物理参数和几何参数)表现出随机性.具有随机结构参数的动力学模型能够客观地反映出真实系统的动力学行为,且结构参数的不确定性对空间柔性多体系统动力学响应的影响是不容忽视的.针对具有多个随机参数的空间柔性多体系统,提出了一种基于广义alpha算法的非侵入式随机柔性多体系统动力学计算方法.采用绝对节点坐标公式(absolute node coordinate formulation, ANCF)来描述柔性体, 推导建立多体系统动力学模型.利用混沌多项式展开(polynomial chaos expansion, PCE)法构建系统随机动力学方程的代理模型,然后将随机响应面法(stochastic response surface method, SRSM)嵌入广义-alpha方法中,分别采用改进抽样的回归方法(regression method of improved sampling, RMIS)和单项求容积法则(Monte Carlo simulation, MCR)来确定样本点.将数值计算结果与蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation, MCS)结果进行对比, 验证了所提算法的有效性.在相同的定积分精度的条件下,根据单项求容积法则确定的样本点的计算结果稳定性更强, 且其计算效率更高.      

低As压退火对GaAs(001)表面形貌与重构的影响

在低As压条件下退火处理原子级平坦的GaAs(001) βup 2(2×4)重构表面. 利用扫描隧道显微镜对表面进行研究, 发现随着低As压退火时间的延长, 表面形貌与表面重构的演变同步进行. 表面形貌经历了从有序平坦转变为无序平坦, 然后逐渐恢复到有序平坦状态的过程. 表面重构则由βup 2(2×4)重构逐渐转变为(2×6)重构, 然后再转变为锯齿状的(2×6)重构, 并且表面形貌与表面重构的演变存在一定的相互关系.     

An application of half-terrace model to surface ripening of non-bulk GaAs layers

In order to predict the actual quantity of non-bulk GaAs layers after long-time homoepitaxy on GaAs （001） by theo- retical calculation, a half-terrace diffusion model based on thermodynamics is used to calculate the ripening time of GaAs layers to form a fiat morphology in annealing. To verify the accuracy of the calculation, real space scanning tunneling microscopy images of GaAs surface after different annealing times are obtained and the roughness of the GaAs surface is measured. The results suggest that the half terrace model is an accurate method with a relative error of about 4.1%.     

Al_(0.17)Ga_(0.83)As/GaAs(001)薄膜退火过程的热力学分析

在As_4束流等效压强为1.2×10~(-3)Pa、退火60 min条件下改变退火温度,对Al_(0.17)Ga_(0.83)As/GaAs薄膜表面平坦化的条件进行了探讨.定量分析了薄膜表面坑、岛与平台的覆盖率和台阶-平台间薄膜粗糙度随退火温度变化的规律,得到最合适的退火温度为545℃(±1℃);根据退火模型发现退火温度的改变会影响参与熟化的原子的数量,熟化原子比θ正比于退火温度,即θ∝Τ.退火温度540℃条件下退火约60 min,薄膜表面达到基本平坦,推测此时0.20θ0.25;退火温度为545℃时,推测退火时间约为55-60 min.本实验得到的结论可以为生长平坦的Al_(0.17)Ga_(0.83)As/GaAs薄膜提供理论与实验指导.     

Ripening of single-layer InGaAs islands on GaAs（001）

The present paper discusses our investigation of InGaAs surface morphology annealed for different lengths of time.After annealing for 15 min,the ripening of InGaAs islands is completed.The real space scanning tunneling microscopy(STM) images show the evolution of InGaAs surface morphology.A half-terrace diffusion theoretical model based on thermodynamic theory is proposed to estimate the annealing time for obtaining flat morphology.The annealing time calculated by the proposed theory is in agreement with the experimental results.     

Ga沉积量对形成AlGaAs表面纳米结构的影响

利用液滴外延技术在Al0.4Ga0.6As表面制备了纳米结构并用原子力显微镜进行表征,发现纳米结构的密度随金属Ga沉积量的增加呈先增加后减小再增加的趋势.这种密度异常变化的现象,主要是由于液滴之间相互扩散并最终形成连续的平坦层,随着沉积量的继续增加,新吸附的Ga原子在平坦层上面形成新的Ga液滴,从而导致了密度的降低.此外,纳米结构的孔深、孔径、环高和盘径几何特征尺寸随着沉积量的增加而增加,且在表面[1-10]和[110]两个方向上纳米结构中的量子环以及盘状结构的形貌特征呈现各向异性.     

分子束外延生长过程中GaAs(001)表面铝液滴的扩散成核过程

量子点的性质主要由其密度及尺寸参数控制,而原子在衬底上的成核运动又决定了量子点的密度、直径、高度等参数,因此研究原子的扩散成核过程对自组装制备量子点具有重要意义。本文通过分子束外延生长技术研究了GaAs(001)表面金属铝液滴的成核过程,发现衬底温度和金属铝沉积速率的变化直接影响了液滴的尺寸、密度以及形状等特征。根据经典成核理论分析GaAs(001)表面金属铝液滴空间分布与几何结构的演化规律,推导得出表面金属铝液滴密度与衬底温度、金属铝沉积速率的关系方程。在此基础上,进一步计算得出液滴形成过程中未成核态、临界成核态、成核态三种亚稳态所包含的最小原子数分别为1个、2个、5个。