錳和錳的硅化物納米結(jié)構(gòu)在Si表面上的自組裝生長(zhǎng)及其STM研究.pdf

1、近十多年來(lái),低維納米結(jié)構(gòu)的制備越來(lái)越引起了人們的關(guān)注.這是因?yàn)楫?dāng)材料在某個(gè)維度上的尺寸小到量子效應(yīng)起主導(dǎo)作用時(shí),將會(huì)展現(xiàn)出一些奇特的物理和化學(xué)特性.例如,非磁性的塊體材料加工成納米結(jié)構(gòu)以后會(huì)出現(xiàn)磁性,原來(lái)惰性的塊體材料(例如金)在加工成納米顆粒后也能表現(xiàn)出催化活性,此外,低維納米結(jié)構(gòu)還具有奇異的電學(xué)特性,因此低維納米結(jié)構(gòu)的制備和研究不管在基礎(chǔ)理論探索方面還是在新型納米電子器件的開(kāi)發(fā)、超高密度信息存儲(chǔ)以及納米催化等實(shí)際技術(shù)應(yīng)用方面均具有重

2、大意義.本文在前人工作的基礎(chǔ)上,利用Si(111)-7×7 重構(gòu)表面作為沉積模板,在超高真空的環(huán)境下運(yùn)用分子束外延蒸發(fā)技術(shù),成功地在硅表面上制備出了有序排列的錳(Mn)納米團(tuán)簇陣列,并實(shí)現(xiàn)了錳硅化物單晶納米線在硅表面上的自組裝生長(zhǎng).通過(guò)超高真空掃描隧道顯微鏡 (UHV STM) 的原位觀察和分析結(jié)果,我們討論了它們的形成機(jī)制和結(jié)構(gòu)模型.這些工作的開(kāi)展,為實(shí)現(xiàn)在硅表面上直接制備有序排列的納米結(jié)構(gòu)打下了良好的基礎(chǔ).本文的主要研究工作和結(jié)論如

3、下所述:(1) 氬氣氣氛對(duì)Si(111)-7×7 重構(gòu)表面結(jié)構(gòu)影響的研究氬氣通常用作清潔襯底表面的濺射氣體,但氬氣氣氛對(duì)襯底的表面結(jié)構(gòu)有何影響還未見(jiàn)報(bào)道.本文中,我們?cè)讷@得清潔的Si(111)-7×7重構(gòu)表面后,將高純的氬氣(>99.999﹪)通入到真空腔體中,觀察不同劑量的氬氣氣氛對(duì)作襯底用的Si(111)-7×7重構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的影響.實(shí)驗(yàn)表明在室溫條件下,氬氣不會(huì)直接吸附在Si(111)-7×7表面上,但當(dāng)氬氣的暴露量逐步增加時(shí),氬氣

4、中所包含的微量雜質(zhì)氣體(H<,2>O,O<,2>等)會(huì)逐漸主導(dǎo)整個(gè)表面吸附過(guò)程,當(dāng)暴露量達(dá)到 600L 以上時(shí)(1L=1Langumuir=10<'-6> Trorr s),襯底表面上原來(lái)的7×7周期性結(jié)構(gòu)開(kāi)始被破壞.這些結(jié)果表明,要在Si(111)-7×7表面上制備出理想的錳納米團(tuán)簇有序陣列,金屬沉積不適宜在普通真空或者有氬氣存在的環(huán)境中進(jìn)行. (2) Mn納米團(tuán)簇有序陣列的制備利用分子束外延蒸發(fā)技術(shù),我們?cè)诔哒婵盏沫h(huán)境下

5、(～5×10<'-10>mbar),將錳金屬氣化后直接沉積到清潔的Si(111)-7×7重構(gòu)表面上.在先前的文獻(xiàn)報(bào)道中,Mn吸附原子只能在室溫的Si(111)-7×7表面上形成不規(guī)則分布的團(tuán)簇,團(tuán)簇的大小接近于7×7的半個(gè)單胞.即便在最近的報(bào)道中,S.G.Azatyan等人也未能制備出排列有序、大小均勻的Mn納米團(tuán)簇有序陣列.本文通過(guò)精確地控制沉積參數(shù)(蒸發(fā)速率、襯底溫度等),分別在室溫和～260℃的襯底溫度下,在Si(111)-7×7

6、表面上自足裝生長(zhǎng)了兩種不同結(jié)構(gòu)的Mn納米團(tuán)簇有序陣列,即在室溫下,Mn團(tuán)簇占據(jù)7×7單胞中有層錯(cuò)(faulted)和無(wú)層錯(cuò)(unfaulted)的兩個(gè)半胞,形成蜂窩狀有序結(jié)構(gòu).而在～260℃時(shí),Mn團(tuán)簇只占據(jù)7×7單胞中有層錯(cuò)的一半,形成六角形對(duì)稱(chēng)性的Mn納米團(tuán)簇陣列.兩種有序結(jié)構(gòu)中每個(gè)團(tuán)簇均大約含10個(gè)Mn原子.而已報(bào)道的Al、In、Ga等III族元素在室溫下的Si(111)-7×7襯底上不形成有序納米團(tuán)簇陣列,只是在襯底溫度約200

7、℃左右時(shí)才形成有序團(tuán)簇結(jié)構(gòu).每個(gè)團(tuán)簇約含6個(gè)原子.我們認(rèn)為,這些不同之處是由于錳吸附原子跟襯底之間以及錳吸附原子之間存在著較強(qiáng)的相互作用造成的.因此,錳納米團(tuán)簇有序陣列的自組裝過(guò)程跟先前文獻(xiàn)中報(bào)道的III族金屬的情況有較大不同. (3)錳硅化物反應(yīng)外延形成的島和納米線的結(jié)構(gòu)研究當(dāng)襯底溫度高260℃時(shí),我們發(fā)現(xiàn)沉積在Si(111)-7×7襯底上的Mn原子不再形成納米團(tuán)簇,而是與Si襯底進(jìn)行反應(yīng)形成錳硅化物,這點(diǎn)與先前文獻(xiàn)中報(bào)道的

8、基本一致,但先前文獻(xiàn)中的錳硅化物大多數(shù)是在對(duì)沉積的Mn厚膜進(jìn)行退火的情況下獲得的,并且對(duì)錳硅化物島的結(jié)構(gòu)和組份研究也十分有限.本文對(duì)低覆蓋度下(≤2ML)錳硅化物在硅表面的生長(zhǎng)情況做了研究,發(fā)現(xiàn)在高于～260℃的襯底溫度附近,Mn原子與襯底硅原子發(fā)生反應(yīng),形成二維平板狀島和三維不規(guī)則形狀的島.當(dāng)生長(zhǎng)溫度超過(guò)～400℃時(shí),在Si(111)-7×7重構(gòu)表面上開(kāi)始出現(xiàn)一維生長(zhǎng)的錳硅化物納米線.它們的寬度僅10-30納米,長(zhǎng)度從幾十到幾千納米不

9、等,沿[110],[101]和[011]三個(gè)方向外延生長(zhǎng).這表明除了最近報(bào)道的鈷(CO)、鈦(Ti)和鐵(Fe)之外,錳(Mn)也能夠在硅表面上形成一維的硅化物納米線結(jié)構(gòu).利用超高真空掃描隧道顯微鏡解析的結(jié)果,我們分析了平板狀島和納米線的表面結(jié)構(gòu),認(rèn)為它們分別是由MnSi和MnSi<～1.7>單晶構(gòu)成的,并根據(jù)不規(guī)則形狀的島具有多個(gè)晶面和120.棱角的形貌特征,認(rèn)為它可能是由Mn<,5>Si<,3>晶粒構(gòu)成的.這些結(jié)果為實(shí)現(xiàn)過(guò)渡族金屬M(fèi)