表面纳米结构的物理沉积和离子溅射制备及调控

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纳米尺度的材料由于具有许多宏观材料所不具备的新奇性质,使得在纳米电子学、传感器、催化等领域都有着广泛的应用。人们一直致力于寻找效率更高、成本更低、操控更加灵活的纳米材料制备方法。其中以衬底为模板沉积自组织的薄膜或表面纳米结构,以及用非聚焦离子束溅射修饰衬底获得表面纳米结构是两种常用的方法。本论文的实验主要包含两部分,第一部分是以SrTiO3(110)重构表面为模板生长金属颗粒,第二部分是在GaAs衬底上通过对金属掩模进行溅射的方法制备纳米条纹。   第一部分介绍了SrTiO3(110)衬底上金属颗粒的制备和性质研究。我们在SrTiO3(110)衬底上制备了三种不同的表面模板:4×1重构、5×1重构和非晶的表面,并在上面沉积了金属Ag。银在这三种衬底上都倾向于形成颗粒状的结构。在4×1重构上,由于有Sr增原子的存在,Ag颗粒倾向于在增原子上成核,从而使Ag颗粒形成具有规则排列的阵列。而在5×1重构上Ag颗粒则形成了更小、更加密集的颗粒。在非晶表面上由于Ag原子的迁移势垒较大,形成的Ag颗粒非常小,大小也更不规则。和在5×1重构上的Ag颗粒相比,在4×1重构上的具有更好的热稳定性,在400℃的情况下可以稳定存在。同时我们也在4×1重构上沉积了Au颗粒,Au会形成两种不同大小的颗粒,一种与Sr增原子大小类似,另一种则与沉积的Ag颗粒类似。由于Au和衬底之间有较强的相互作用,较小的Au颗粒倾向于在4×1重构的凹槽上成核。在360℃退火之后,较小的Au颗粒凝聚成更大的颗粒,而这种较大的颗粒可以在360℃的条件下稳定存在。   第二部分介绍了利用金属掩模的方法在GaAs上制备纳米条纹。对GaAs来说,在没有金属膜的情况下对其表面进行溅射,表面会变得更平滑而不是产生纳米结构。我们在GaAs上沉积了一定厚度的Au膜,通过对Au膜的离子束溅射,可以在表面产生条纹状结构。当Au膜耗尽时,这种结构就会传导到GaAs表面上。我们研究了用这种方法在GaAs和非晶的钠钙玻璃表面制备的纳米条纹在持续的离子束溅射过程中的演化规律。当Au膜耗尽后,GaAs上的条纹结构的波长随着溅射剂量的增加而增大。定量的研究表明,持续的溅射会使该条纹结构弛豫到动力学的平衡态,条纹的振幅逐渐降低,表面粗糙度也持续减小。而对玻璃来说,表面的平衡一旦被Au膜上传导来的条纹所打破,持续的离子溅射会使表面继续增加其纵向的起伏。我们用两种衬底上条纹的倾斜度、表面曲率的分布和其谱密度(power spectral density)研究了这两种不同行为的机制。GaAs表面在溅射过程中富集的镓原子具有较高的横向迁移率,这是造成其表面平滑化的主要原因。
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