不同能量密度對(duì)脈沖激光沉積納米硅晶粒尺寸的影響

鄧澤超，羅青山，丁學(xué)成，褚立志，王英龍

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北省光電信息材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071002)

不同能量密度對(duì)脈沖激光沉積納米硅晶粒尺寸的影響

鄧澤超，羅青山，丁學(xué)成，褚立志，王英龍

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北省光電信息材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071002)

在室溫條件下保持Ar環(huán)境氣體壓強(qiáng)不變，采用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)，通過改變激光能量密度，在與燒蝕羽輝軸線垂直放置的襯底上沉積了一系列納米硅晶薄膜，利用掃描電子顯微鏡(SEM)和拉曼(Raman)散射光譜對(duì)樣品進(jìn)行特性分析.結(jié)果表明，在能量密度為2～4 J/cm2時(shí)，襯底上沉積的納米硅晶粒尺寸和面密度基本不變.結(jié)合納米晶粒成核生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了定性解釋.

脈沖激光沉積；能量密度；納米硅晶粒；晶粒尺寸

近年來(lái)，納米硅晶粒(薄膜)在微電子器件、光電集成等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2].然而，晶粒尺寸的均勻可控也逐漸成為其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的最大障礙.理想尺寸納米晶粒的制備，將會(huì)極大提高各種器件的效率和性能.在諸多納米晶粒制備和研究的方法中，脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)以其加熱速度快、粒子基團(tuán)蒸氣濃度高、成分保真性好和襯底表面玷污小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用[3-5].為制備尺寸均一可控和性能良好的納米晶粒，制備過程通常在一定壓強(qiáng)的惰性(如He, Ne, Ar)[6]或活性(H2,N2,O2)[7-8]環(huán)境氣體中進(jìn)行.因此，燒蝕激光的頻率[9]、能量密度以及環(huán)境氣體種類[10]、反應(yīng)壓強(qiáng)[11]等參量都直接影響著所制備晶粒的尺寸和性能.了解并有效控制這些因素對(duì)晶粒尺寸的影響，將會(huì)為制備理想尺寸納米晶粒，實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供參考.

筆者采用脈沖激光沉積技術(shù)，在不改變其他實(shí)驗(yàn)條件的前提下，通過調(diào)整激光能量密度，分析了它對(duì)沉積所得納米硅晶粒尺寸的影響，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了定性解釋.

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用激光光源為波長(zhǎng)308 nm，脈寬15 ns的XeCl 準(zhǔn)分子脈沖激光.環(huán)境保持為室溫，在反應(yīng)室真空度低于2×10-4Pa后，充入高純Ar(φ(Ar)≥99.999%)作環(huán)境氣體；靶材使用高阻抗單晶Si(電阻率為3 000 Ω·cm)靶，安裝在可勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)上，轉(zhuǎn)速為6 r/min.襯底分別采用Si(111)單晶和普通玻璃，垂直于燒蝕羽輝軸線放置，靶襯間距為3 cm.實(shí)驗(yàn)過程中，激光能量密度為2～4 J/cm2，脈沖頻率3 Hz，壓強(qiáng)為10 Pa.在單晶硅和玻璃襯底上沉積的時(shí)間分別為10 min和3 h.單晶Si襯底上制備的樣品形貌用SEM表征,玻璃襯底上制備的樣品特性用Raman進(jìn)行表征.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣品的SEM檢測(cè)結(jié)果如圖1所示.由圖1可知，納米晶粒尺寸分布比較均勻.另外，根據(jù)筆者以前對(duì)形成納米硅晶粒能量密度閾值的研究結(jié)果可知[12]，在本文中的實(shí)驗(yàn)條件下，SEM圖中所形成的納米硅顆粒均為晶態(tài).對(duì)不同能量密度下薄膜中的晶粒進(jìn)行尺寸和面密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，二者變化幅度都非常小，并且沒有單調(diào)遞增或單調(diào)遞減的趨勢(shì)，因此可以近似認(rèn)為不變.也就是說，所沉積的納米晶粒尺寸和面密度不隨激光能量密度的變化而變化，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示.

表1 不同能量密度下晶粒和燒蝕粒子狀態(tài)參數(shù)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證晶粒尺寸的變化情況，將沉積在玻璃襯底上的樣品進(jìn)行了Raman譜的檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示.Raman譜線的主峰位出現(xiàn)在516.3～518.8 cm-1附近，均接近于單晶硅的特征峰520 cm-1，并且峰值之間差距很小，同樣也沒有單調(diào)變化的趨勢(shì).根據(jù)晶粒尺寸計(jì)算公式d=2π(B/w)1/2可知[13]，譜線峰位差值很小表明納米晶粒尺寸非常接近，與表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符合.

圖2 不同能量密度下樣品Raman圖

3 結(jié)果分析

根據(jù)激光燒蝕靶材動(dòng)力學(xué)理論，在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，對(duì)不同激光能量密度下的燒蝕過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了燒蝕硅原子總數(shù)隨能量密度變化的情況，結(jié)果如表1所示.從表1可以看出，隨著激光能量密度的增大，燒蝕產(chǎn)生的硅原子總數(shù)相應(yīng)增加.另外，隨著激光能量密度的增加，燒蝕羽輝的體積也相應(yīng)變大.根據(jù)成核區(qū)模型理論，當(dāng)燒蝕粒子的溫度低于單晶硅熔點(diǎn)以后，成核現(xiàn)象開始發(fā)生.也就是說，溫度決定了晶粒的成核位置[10]，并且晶粒的成核與生長(zhǎng)都發(fā)生在成核區(qū)范圍內(nèi).筆者認(rèn)為，晶粒的成核與生長(zhǎng)過程除了受溫度影響外，同時(shí)還受到成核粒子過飽和密度的影響，即只有當(dāng)過飽和密度達(dá)到一定的閾值后，燒蝕粒子才能成核.同時(shí)，過飽和密度的大小也影響著晶粒的成核率和生長(zhǎng)過程.也就是說，在溫度符合成核條件的前提下，過飽和密度越大，成核粒子相互碰撞結(jié)合的幾率就越大，成核率也就越高.與此同時(shí)，成核后的晶粒在較高的過飽和密度環(huán)境中，與其他燒蝕粒子碰撞的次數(shù)相應(yīng)增加，從而使得晶粒尺寸變大.

在本實(shí)驗(yàn)中，SEM和Raman檢測(cè)結(jié)果均表明，晶粒尺寸基本不變，這是由于成核粒子的過飽和密度沒有發(fā)生明顯的變化導(dǎo)致的.雖然在燒蝕激光能量密度增大的情況下，燒蝕粒子總數(shù)增加了，但同時(shí)，燒蝕羽輝的體積也相應(yīng)增大了，這就導(dǎo)致過飽和密度ρ=m/V變化很小，或者基本保持不變.因此，成核后的晶粒的生長(zhǎng)環(huán)境不變，尺寸也基本保持不變.

4 結(jié)論

采用脈沖激光沉積技術(shù)，在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，通過改變燒蝕激光能量密度，研究了垂直于燒蝕羽輝軸線放置的襯底上沉積所得納米硅晶粒的尺寸和面密度變化情況.結(jié)果表明：隨著激光能量密度的增加，晶粒尺寸和面密度基本不變，通過對(duì)燒蝕過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合納米硅晶粒成核與生長(zhǎng)條件，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了合理解釋，并得出了成核粒子的過飽和密度決定成核晶粒尺寸的結(jié)論.該結(jié)果將為深入研究激光燒蝕制備理想尺寸納米硅晶粒，以及研究其成核生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過程提供參考.

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(責(zé)任編輯：孟素蘭)

InfluenceofdifferentenergydensitiesonsizeofSinanocrystalgrainspreparedbypulsedlaserdeposition

DENGZe-chao,LUOQing-shan,DINGXue-cheng,CHULi-zhi,WANGYing-long

( Key Laboratory of Photo-Electricity Information Materials of Hebei Province, College of Physics Science and Technology, Hebei University,Baoding 071002，China)

Si nanocrystal thin films were prepared by pulsed laser deposition under different energy densities in fixed pressure of Ar gas at room temperature during the process of deposition, substrates were placed vertical to plume axis.The samples were analyzed by scaning electron microscope (SEM) and Raman (Raman) scattering spectrums respectively.It was indicated that the size and areal density of grains on substrates were invariability basically in the range of 2-4 J/cm2, the results were qualitatively explained based on dynamics of nucleation and growth of grains.

pulsed laser deposition；energy density；Si nanocrystal grain；grain size

O484.1

A

1000-1565(2012)01-0024-04

2011-04-28

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2011201134)；河北省教育廳基金資助項(xiàng)目(2009308)

鄧澤超 (1978-),男，河北固安人，河北大學(xué)講師，主要從事納米材料方向研究．

E-mail:dengzechao@hbu.edu.cn

王英龍(1965-)，男，河北定州人，河北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事納米材料方向研究．

E-mail:hdwangyl@hbu.edu.cn