硅表面自組織納米結構的離子束輻射制備及光學性質的研究.pdf

1、離子束輻射能夠在多種半導體材料表面產生具有一定周期性的自組織納米結構。由于該方法對設備要求不高，工藝流程簡單，且利用該方法制得的納米結構可控性好，所以得到了廣泛的關注，被認為在納米制備領域具有重要應用前景。
　　本論文首先研究了金屬雜質在離子束輻射引導的納米結構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，表面形貌在有Fe雜質和無Fe雜質參與情況

2、下的不同演化規(guī)律。當Fe的表面含量高于8.0×1014 cm-2時，Si表面形成自組織納米點陣。點的尺寸為～50 nm。當Fe雜質的參與量低于上述閾值時，Si表面隨離子束轟擊呈現(xiàn)平滑化趨勢。
　　在此基礎上，我們發(fā)展了一個包含金屬雜質效應的理論模型，用以描述Fe雜質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的離子刻蝕、離子轟擊加強的表面粘滯流、彈道平滑機制、離子擇優(yōu)濺射和表面張應力引起的原子流等表面過

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

4、制和光學性質。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構；錐頂呈現(xiàn)富含金屬的多晶結構。雜質的參與被證明在錐陣列的形成過程中必不可少。在沒有雜質參與的情況下，相同參數(shù)的離子轟擊只能引導表面平滑化。經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的波長范圍內小于11％；而未經處理的硅片的反射率在同波段內大于30％。經過離子束處理的硅片的吸收率在此波段內相對于未經處理的樣品提高了至少25％。這一光學性質為離子束引導的納米結構找到了黑硅方面的應用。
　　我們還研究了小束流密度(15μAcm-2)離子束轟擊帶有納米點陣結構的硅表面的情況。實驗中表面點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納米結構的理論模型，即Bradle