硅表面自組織納米結(jié)構(gòu)的離子束輻射制備及光學(xué)性質(zhì)的研究.pdf

1、離子束輻射能夠在多種半導(dǎo)體材料表面產(chǎn)生具有一定周期性的自組織納米結(jié)構(gòu)。由于該方法對設(shè)備要求不高，工藝流程簡單，且利用該方法制得的納米結(jié)構(gòu)可控性好，所以得到了廣泛的關(guān)注，被認(rèn)為在納米制備領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
　　本論文首先研究了金屬雜質(zhì)在離子束輻射引導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)形成過程中的重要影響。我們展示了Si(100)表面受到能量為1200 eV、束流密度為200μA cm-2的Ar+離子束垂直轟擊時(shí)，表面形貌在有Fe雜質(zhì)和無Fe雜質(zhì)參與情況

2、下的不同演化規(guī)律。當(dāng)Fe的表面含量高于8.0×1014 cm-2時(shí)，Si表面形成自組織納米點(diǎn)陣。點(diǎn)的尺寸為～50 nm。當(dāng)Fe雜質(zhì)的參與量低于上述閾值時(shí)，Si表面隨離子束轟擊呈現(xiàn)平滑化趨勢。
　　在此基礎(chǔ)上，我們發(fā)展了一個(gè)包含金屬雜質(zhì)效應(yīng)的理論模型，用以描述Fe雜質(zhì)參與情況下離子束轟擊Si表面引起的形貌和組分的演化。該模型包含了曲率相關(guān)的離子刻蝕、離子轟擊加強(qiáng)的表面粘滯流、彈道平滑機(jī)制、離子擇優(yōu)濺射和表面張應(yīng)力引起的原子流等表面過

3、程。其中離子擇優(yōu)濺射和表面張應(yīng)力引起的原子流是雜質(zhì)參與引起的。根據(jù)本模型，表面張應(yīng)力引起的原子流和曲率相關(guān)的離子刻蝕共同作用克服了彈道平滑機(jī)制并引導(dǎo)了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的形成。在此基礎(chǔ)上，離子擇優(yōu)濺射引導(dǎo)了表面組分的周期性點(diǎn)陣調(diào)制，且和形貌的調(diào)制同相。我們利用該模型數(shù)值模擬了Fe雜質(zhì)參與的1200 eV Ar+離子束轟擊Si(100)表面的實(shí)驗(yàn)，得到了定性相符的結(jié)果。
　　我們還研究了金屬雜質(zhì)參與的大束流密度離子束引導(dǎo)的硅表面錐陣列的形成機(jī)

4、制和光學(xué)性質(zhì)。利用能量為1.5 keV、束流密度為1000μA cm-2的離子束轟擊Si(100)表面。在Fe雜質(zhì)的參與下，表面形成了平均高度為～350 nm，平均間距為～250 nm的錐陣列。錐的主體具有和襯底相同晶向的單晶硅結(jié)構(gòu)；錐頂呈現(xiàn)富含金屬的多晶結(jié)構(gòu)。雜質(zhì)的參與被證明在錐陣列的形成過程中必不可少。在沒有雜質(zhì)參與的情況下，相同參數(shù)的離子轟擊只能引導(dǎo)表面平滑化。經(jīng)過離子束錐陣列化處理的硅片用肉眼觀察呈黑色，具有抗反射效果。其反射率

5、在350 nm-2000nm的波長范圍內(nèi)小于11％；而未經(jīng)處理的硅片的反射率在同波段內(nèi)大于30％。經(jīng)過離子束處理的硅片的吸收率在此波段內(nèi)相對于未經(jīng)處理的樣品提高了至少25％。這一光學(xué)性質(zhì)為離子束引導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)找到了黑硅方面的應(yīng)用。
　　我們還研究了小束流密度(15μAcm-2)離子束轟擊帶有納米點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的硅表面的情況。實(shí)驗(yàn)中表面點(diǎn)尺寸和表面粗糙度隨小束流密度離子束轟擊減小的趨勢和通常描述離子束引導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)的理論模型，即Bradle