[发明专利]一种电场控制在单晶硅基片表面制备纳米结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，特别涉及一种电场控制在单晶硅基片表面制备纳米结构的方法。

背景技术

外场作用下固体表面原子的迁移运动是一个具有广泛应用背景的基础问题。半导体硅基底上施加一个平行于基底表面的直流电场时，其表面上发生的一系列电迁移扩散现象就是一个典型的例子，具有非常重要的物理意义。众所周知，作为半导体工业中最重要的材料,硅和各种硅基微/纳结构器件构成了现代电子与信息产业的基石；而各种纳米结构的器件化和实用化都需要建立在纳米材料的控制生长和相关物理效应的澄清的基础之上。因此，深入探索外场作用下材料表面纳米尺度形貌和结构特征的变化规律，进而通过宏观的外力作用实现对纳米结构的操纵已经成为许多纳米技术应用中的关键。以扫描隧道显微镜（STM）为工具，对表面原子或原子团簇施加纵向电场进行操纵移动以形成各种微小的纳米结构是一项颇具代表性的成熟技术，但它在构建包含更多原子（如10⁴～10⁶个原子）的较大尺寸纳米结构时并不适用；而同样广为人知的自组装生长技术虽然适于制备包含大量原子的纳米结构，但却难以实现其局部结构的精细调控。

发明内容

针对现有电场控制制备纳米结构在技术上存在的上述问题，本发明提供一种电场控制在单晶硅基片表面制备纳米结构的方法，通过水平方向上直流电场的作用使单晶硅基片的膜层均匀扩展来形成纳米有序结构。

本发明的一种电场控制在单晶硅基片表面制备纳米结构的方法按以下步骤进行：

1、选用镜面抛光的电阻率为50～100Ω·cm的n型Si（111）硅圆晶片，沿长边平行于〈1-10〉方向进行切割，制成长方形的单晶硅基片；

2、将单晶硅基片固定于分子束外延室的真空室样品台上；在真空室压强≤2×10^-8Pa的超高真空条件下，将单晶硅基片加热至1473±10K并保持2～6s，清洁其表面；

3、通过蒸发源向表面经过清洁的单晶硅基片表面沉积0.1～1层Au原子，在单晶硅基片表面获得具有不同重构的金吸附单晶硅表面结构；沉积时控制真空室气压≤1×10^-7Pa，单晶硅基片温度为873±10K；所述的不同重构的金吸附单晶硅表面结构是指7×7、（7×7+5×2）、5×2、（5×2+α-√3×√3）、α-√3×√3或β-√3×√3表面结构；

4、将金属In在室温下通过分子束外延室内的掩模上的狭缝窗口蒸发沉积到单晶硅基片中心位置，在单晶硅基片上获得矩形薄膜片层，矩形薄膜片层的厚度为2.0±0.2ML；

5、沿着〈1-10〉方向对单晶硅基片上的矩形薄膜片层施加直流电场开始驱动电迁移，控制矩形薄膜片层的电迁移扩散，电流强度为0.1～0.5A，施加电流的时间为1～60min，施加电场时单晶硅基片的温度为630～763K，在单晶硅基片表面获得准二维金属纳米结构。

上述方法中，掩模的窗口为长方形或狭缝式，宽度在50～200μm，掩模材质选用金属钽。

上述方法中，沉积金属的单原子层（monolayer,ML）数表示金属的覆盖度，一个单原子层（ML）对应于表面上每平方厘米包含7.8×10¹⁴个原子。