錳和錳的硅化物納米結構在Si表面上的自組裝生長及其STM研究.pdf

1、近十多年來,低維納米結構的制備越來越引起了人們的關注.這是因為當材料在某個維度上的尺寸小到量子效應起主導作用時,將會展現(xiàn)出一些奇特的物理和化學特性.例如,非磁性的塊體材料加工成納米結構以后會出現(xiàn)磁性,原來惰性的塊體材料(例如金)在加工成納米顆粒后也能表現(xiàn)出催化活性,此外,低維納米結構還具有奇異的電學特性,因此低維納米結構的制備和研究不管在基礎理論探索方面還是在新型納米電子器件的開發(fā)、超高密度信息存儲以及納米催化等實際技術應用方面均具有重

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

3、下所述:(1) 氬氣氣氛對Si(111)-7×7 重構表面結構影響的研究氬氣通常用作清潔襯底表面的濺射氣體,但氬氣氣氛對襯底的表面結構有何影響還未見報道.本文中,我們在獲得清潔的Si(111)-7×7重構表面后,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作襯底用的Si(111)-7×7重構表面結構的影響.實驗表明在室溫條件下,氬氣不會直接吸附在Si(111)-7×7表面上,但當氬氣的暴露量逐步增加時,氬氣

4、中所包含的微量雜質氣體(H<,2>O,O<,2>等)會逐漸主導整個表面吸附過程,當暴露量達到 600L 以上時(1L=1Langumuir=10<'-6> Trorr s),襯底表面上原來的7×7周期性結構開始被破壞.這些結果表明,要在Si(111)-7×7表面上制備出理想的錳納米團簇有序陣列,金屬沉積不適宜在普通真空或者有氬氣存在的環(huán)境中進行. (2) Mn納米團簇有序陣列的制備利用分子束外延蒸發(fā)技術,我們在超高真空的環(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重構表面上.在先前的文獻報道中,Mn吸附原子只能在室溫的Si(111)-7×7表面上形成不規(guī)則分布的團簇,團簇的大小接近于7×7的半個單胞.即便在最近的報道中,S.G.Azatyan等人也未能制備出排列有序、大小均勻的Mn納米團簇有序陣列.本文通過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、表面上自足裝生長了兩種不同結構的Mn納米團簇有序陣列,即在室溫下,Mn團簇占據(jù)7×7單胞中有層錯(faulted)和無層錯(unfaulted)的兩個半胞,形成蜂窩狀有序結構.而在～260℃時,Mn團簇只占據(jù)7×7單胞中有層錯的一半,形成六角形對稱性的Mn納米團簇陣列.兩種有序結構中每個團簇均大約含10個Mn原子.而已報道的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簇陣列,只是在襯底溫度約200

7、℃左右時才形成有序團簇結構.每個團簇約含6個原子.我們認為,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的相互作用造成的.因此,錳納米團簇有序陣列的自組裝過程跟先前文獻中報道的III族金屬的情況有較大不同. (3)錳硅化物反應外延形成的島和納米線的結構研究當襯底溫度高260℃時,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簇,而是與Si襯底進行反應形成錳硅化物,這點與先前文獻中報道的

8、基本一致,但先前文獻中的錳硅化物大多數(shù)是在對沉積的Mn厚膜進行退火的情況下獲得的,并且對錳硅化物島的結構和組份研究也十分有限.本文對低覆蓋度下(≤2ML)錳硅化物在硅表面的生長情況做了研究,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,形成二維平板狀島和三維不規(guī)則形狀的島.當生長溫度超過～400℃時,在Si(111)-7×7重構表面上開始出現(xiàn)一維生長的錳硅化物納米線.它們的寬度僅10-30納米,長度從幾十到幾千納米不

9、等,沿[110],[101]和[011]三個方向外延生長.這表明除了最近報道的鈷(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構.利用超高真空掃描隧道顯微鏡解析的結果,我們分析了平板狀島和納米線的表面結構,認為它們分別是由MnSi和MnSi<～1.7>單晶構成的,并根據(jù)不規(guī)則形狀的島具有多個晶面和120.棱角的形貌特征,認為它可能是由Mn<,5>Si<,3>晶粒構成的.這些結果為實現(xiàn)過渡族金屬M