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用低能量/光电子显微镜研究Si基片上Pb岛的生长和熔化

郝思坤

  纳米技术在过去几十年得到了快速的发展,对纳米尺度下材料的特性进行研究,既有重要的理论价值,又有潜在的应用前景。人们采用以电子显微镜为核心的各种实验手段对纳米材料进行了广泛的研究,低能量电子显微镜(Low Energy Electron Microscope, LEEM)和光电子显微镜(Photoemission Electron Microscope,PEEM)由于实时具有实时观测能力受到人们的青睐。 标准的LEEM/PEEM系统中,电子照射系统和成像系统相互独立,体积大,操作复杂,大连化学物理研究所的11T1组与德国Elmitec公司共同研发了单法兰集成式低能量/光电子显微镜(LEEM-IV).该设备体积小且容易操作,高度集成,电子照射系统和成像系统集成在一个CF250法兰上,成为单法兰集成式的LEEM/PEEM,打破了LEEM/PEEM作为独立系统的现状,使其成为独立部件与其它系统简单连接。 当材料的尺寸足够小时,量子尺寸效应将变的显著。迄今为止,人们已经发现很多系统中的量子尺寸效应,并进行了大量的研究。Pb/Si(111)系统以其独特的物理性质受到了人们的广泛关切。1964年Estrup和Morrison首先使用低能电子衍射(LEED)对沉积在Si(111)表面的Pb薄膜进行了研究,发现几乎在任何温度下Pb和Si都不相融,形成一个典型的非化学反应量子限制系统。随后人们利用多种表征手段如STM, LEED, X射线衍射等,对Pb/Si系统进行广泛研究,发现了很多新的现象和效应。我们采用单法兰集成式LEEM-Ⅳ,对Si(111)衬底上铅岛的生长和熔化进行了实时的观测,得到了铅岛生长和熔化的方式及过程。 实验过程的真空度高于2.6×10-10torr。经过对Si(111)进行闪硅处理(1200-C)后,获得了Si(111)表面的7x7构造。然后维持衬底温度140℃不变,启动蒸发源,观察Pb的生长。Si(111)表面的Pb生长是典型的S-K模式,即Pb开始是层状生长,到大约3原子层之后,层状生长停止,三维Pb岛生长开始。S-K模式是被沉积物质的原子或分子倾向与自身成键结合,通过能量相互竞争,由二维生长转化为岛状生长的结果。通过镜面电子成像(MEM)可知Pb岛的面积和高度同步增长。同时我们也观察到,这样的Pb岛更容易在衬底Si(111)的台阶边缘或SiC点处开始生长,这两个环境更容易诱发Pb薄膜的应力变化,导致Pb岛的生长。实验结果显示,铅岛的每个角都是60°的倍数,这是受到Si(111)表面量子调控的结果。 Si(111)衬底上的Pb岛高温熔化和上述生长过程则是一个完全可逆的过程。Pb岛在256℃时开始熔化,高度和面积同步缩小。当Pb的残量很少时,表面张力迫使Pb岛分裂为若干个小球,继续加热则Pb完全消失。 我们通过汞灯获得PEEM图像,清楚地看到残留在Si(111)表面台阶处Pb的量子球,初步测算尺寸在400nm。另外,由于紫外光是倾斜照射样品表面,我们看到了Pb量子球在光照射方向的衍射环。衍射环的出现说明汞灯的波长和Pb量子球的尺寸接近。汞灯的能量是4.9eV,换算成波长约253nm,与实验测算的Pb量子球尺寸保持了较好的一致。……   
[关键词]:低能量电子显微镜;光电子显微镜;Pb岛;衍射环
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:兰州大学2011年
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