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Si、Ge和Si<,l-z>Ge<,x>合金纳米颗粒是一类新型半导体纳米材料,既可以作为未来硅基光电子集成中潜在的纳米尺寸光源,又具有非常重要的基础研究价值。本文通过射频磁控溅射方法在硅衬底上生长了镶嵌有Si、Ge和Si<,l-x>Ge<,x>合金纳米颗粒的非晶氧化硅薄膜,研究了这种方法生长的纳米颗粒的结构特征和声子特性。取得了如下结果:
(1)生长特征
控制掺杂量可以获得不同类型纳米颗粒。当采用SiO<,2>:Ge:Si共溅射方式时,通过固定Ge的掺杂量,不断增加Si的掺杂量,可以实现颗粒类型从纯Ge颗粒,到具有GeSi壳层或非晶Si壳层的复合Ge纳米颗粒,再到不同组分GeSi合金纳米颗粒的转变。
(2)颗粒结构
三类颗粒均具有金刚石结构,在氧化硅介质中完全无序分布。受到介质的影响,4nm以下的Ge和Si纳米颗粒存在晶格紧缩现象。Si和Ge纳米颗粒以球形生长为主,部分颗粒呈椭球形。合金颗粒基本上呈球形,少量颗粒中存在孪晶结构。
(3)光学声子限域效应
用单声子散射模型分析了Ge和Si纳米颗粒的光学声子限域效应的特征,发现采用全空间色散关系和只采用TKTO1光频支色散关系所计算的光学声子峰峰位非常一致。用非晶合金热致晶化的方法生长了组分稳定、无应力作用的合金纳米颗粒。发现合金颗粒的光学声子限域效应比纯Ge和纯Si颗粒要强,我们认为成分无序引起的颗粒内部局部团簇化是造成这种差异的主要原因。
(4)限域声学声子振动模式
在非晶氧化硅介质中的三类纳米颗粒中都观察到了限域声学声子振动。发现这些颗粒的表面都不是自由的,并且不同类型颗粒之间的声学声子振动特征基本相似。在退偏振和偏振两种配置方式下,Raman谱低频区都存在一个近对数正态分布线形的声学声子峰。目前认为弹性体振动理论适合解释这些颗粒的振动特征及不同类型颗粒之间振动特征的相似性。
当前实验中,富Si和富Ge两类合金颗粒的振动模式频率对颗粒尺寸的分布均接近纯Si颗粒的情形。我们认为这是介质的应力作用驱动两种元素在合金颗粒内部分布不均匀的结果。表现为颗粒表层富Si,颗粒核心富Ge,但声学声子振动信号主要来自颗粒表层。
此外,在Ge和少量Si同时搀杂的样品中,发现了一种局域振动信号,同时伴随着Ge颗粒的限域声学声子振动峰消失。我们提出在Ge颗粒表面存在一种由Ge、Si、O三种原子组成局域结构,这种局域结构抑制了颗粒内部的声学声子振动。局域结构的振动频率和热稳定性对Si的搀杂浓度非常敏感。