硅表面自组织纳米结构的离子束辐射制备及光学性质的研究

摘要

离子束辐射能够在多种半导体材料表面产生具有一定周期性的自组织纳米结构。由于该方法对设备要求不高，工艺流程简单，且利用该方法制得的纳米结构可控性好，所以得到了广泛的关注，被认为在纳米制备领域具有重要应用前景。
　　本论文首先研究了金属杂质在离子束辐射引导的纳米结构形成过程中的重要影响。我们展示了Si(100)表面受到能量为1200 eV、束流密度为200μA cm-2的Ar+离子束垂直轰击时，表面形貌在有Fe杂质和无Fe杂质参与情况下的不同演化规律。当Fe的表面含量高于8.0×1014 cm-2时，Si表面形成自组织纳米点阵。点的尺寸为～50 nm。当Fe杂质的参与量低于上述阈值时，Si表面随离子束轰击呈现平滑化趋势。
　　在此基础上，我们发展了一个包含金属杂质效应的理论模型，用以描述Fe杂质参与情况下离子束轰击Si表面引起的形貌和组分的演化。该模型包含了曲率相关的离子刻蚀、离子轰击加强的表面粘滞流、弹道平滑机制、离子择优溅射和表面张应力引起的原子流等表面过程。其中离子择优溅射和表面张应力引起的原子流是杂质参与引起的。根据本模型，表面张应力引起的原子流和曲率相关的离子刻蚀共同作用克服了弹道平滑机制并引导了点阵结构的形成。在此基础上，离子择优溅射引导了表面组分的周期性点阵调制，且和形貌的调制同相。我们利用该模型数值模拟了Fe杂质参与的1200 eV Ar+离子束轰击Si(100)表面的实验，得到了定性相符的结果。
　　我们还研究了金属杂质参与的大束流密度离子束引导的硅表面锥阵列的形成机制和光学性质。利用能量为1.5 keV、束流密度为1000μA cm-2的离子束轰击Si(100)表面。在Fe杂质的参与下，表面形成了平均高度为～350 nm，平均间距为～250 nm的锥阵列。锥的主体具有和衬底相同晶向的单晶硅结构；锥顶呈现富含金属的多晶结构。杂质的参与被证明在锥阵列的形成过程中必不可少。在没有杂质参与的情况下，相同参数的离子轰击只能引导表面平滑化。经过离子束锥阵列化处理的硅片用肉眼观察呈黑色，具有抗反射效果。其反射率在350 nm-2000nm的波长范围内小于11％；而未经处理的硅片的反射率在同波段内大于30％。经过离子束处理的硅片的吸收率在此波段内相对于未经处理的样品提高了至少25％。这一光学性质为离子束引导的纳米结构找到了黑硅方面的应用。
　　我们还研究了小束流密度(15μAcm-2)离子束轰击带有纳米点阵结构的硅表面的情况。实验中表面点尺寸和表面粗糙度随小束流密度离子束轰击减小的趋势和通常描述离子束引导纳米结构的理论模型，即Bradley-Harper模型，矛盾。由于经过小束流密度离子束轰击的硅表面部分仍具有晶格结构，所以我们在Bradley-Harper模型中引入了结晶化表面原子运动具有的Ehrlich-Schwoebel效应。在新模型基础上的数值模拟结果与实验定性相符。