铁的硅化物纳米结构在硅衬底上的外延生长及其EBSD和XPS的研究

摘要

铁的硅化物纳米结构具有丰富的物理特性，在微电子、集成电路、热电、光电等领域有着广泛的应用价值。本课题采用分子束外延法在Si(111)和Si(110)基底表面生长出铁硅纳米结构，并利用STM、EBSD、XPS和TEM对其进行了细致研究，得出如下结论：
　　（1）STM研究发现，~650-920℃下Si(110)基底上生长的铁硅化合物以纳米线的形态存在且生长方向唯一，随生长温度的升高纳米线会逐渐长大，该生长特性非常有利于工业化的可控生长。I-V曲线表明~650℃下生长的纳米线具有金属特性，~920℃下的纳米线具有半导体特性。对~650℃下的纳米线进行退火处理，发现随着退火温度的升高纳米线逐渐粗化，当温度达到~900℃时，纳米线转变成具有半导体特性的短棒状结构，由此我们认为退火过程中纳米线发生了相变。另外，研究还发现~920℃下Si(111)基底上存在三维岛和薄膜两种结构形态，且I-V曲线表明三维岛为金属性。
　　（2）EBSD分析发现，~920℃下制备的纳米线由β-FeSi2相组成，β-FeSi2相与 Si(110)基底之间取向关系为：β-FeSi2(101)∥Si(111)；β-FeSi2[010]∥Si[110]。~920℃下Si(111)基底上制备的铁硅三维岛由具有金属特性的Fe2Si相组成，且Si(111)基底与Fe2Si相之间取向关系为：Fe2Si(001)∥Si(111)；Fe2Si[120]∥Si[112]。
　　（3）TEM研究表明，650℃下Si(110)表面生长的纳米线由具有四方结构的α-FeSi2相组成，900℃退火处理后纳米线会转变成短棒结构，其组成相与900℃下生长的纳米线相同。由短棒结构的莫里条纹可知，短棒状铁硅化合物是沿着Si(110)表面外延生长的，且与衬底之间存在一定程度的晶格失配。
　　（4）XPS研究表明，样品从STM腔体传送到XPS腔体内时，短暂的暴露在大气中后表面会出现一定程度的氧化。分析发现不同样品表面的铁硅化合物中铁的化学态略有差异，650℃下衬底表面生长的铁硅纳米线的Fe2p3/2峰位结合能处在~706.9 eV，而900℃下生长的纳米线和退火生成的短棒结构的Fe2p3/2峰位结合能处在~706.5 eV，表明低温下生成的铁硅纳米线在900℃退火后发生了相变。

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第一章 绪论

1.1微电子技术的发展现状以及发展趋势

1.2过渡族金属硅化物在微电子领域中的应用及其研究现状

1.3论文的研究目的和意义

第二章 实验方法

2.1扫描隧道显微镜

2.2扫描隧道显微镜分子束外延系统

2.3扫描探针的制备

2.4 X射线光电子能谱(XPS)

2.5电子背散射衍射（EBSD）

2.6 Si(111)-7×7与Si(110)-2×1重构表面

第三章 Si衬底上生长的铁硅化合物结构和取向分析[58]

3.1引言

3.2实验方法

3.3结果及讨论

3.4本章小结

第四章 Si(110)衬底上外延生长铁硅纳米线的XPS及TEM研究

4.1引言

4.2实验方法

4.3结果及讨论

4.4本章小结

第五章 全文总结

参考文献

致谢

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