10章-低维半导体材料方法技巧.ppt

* * 超晶格、量子阱材料生长和精细加工相结合的制备技术 利用MBE 或MOCVE 等技术首先生长超晶格、量子阱器件结构材料如：AlGaAs/ GaAs 2DEG材料等，进而结合高空间分辨电子束曝光直写，湿法或干法刻蚀和微细离子束注入隔离制备量子线和量子点。 * * 上述方法的优点是 图形的几何形状和密度(在分辨率范围内) 可控 其缺点是 图形实际分辨率(受电子束背散射效应影响) 不高(几十nm) ,横向尺寸远比纵向尺寸大 边墙(辐射,刻蚀) 损伤,缺陷引入和杂质沾污使器件性能变差以及曝光时间过长等 * * 应变自组装量子点结构生长技术 外延生长过程中，根据晶格失配和表面、界面能不同，存在着三种生长模式： 晶格匹配体系的二维层状(平面) 生长的Frank - Van der Merwe 模式 大晶格失配和大界面能材料体系的三维岛状生长模式，即Volmer - Weber 模式 大晶格失配和较小界面能材料体系的先层状进而过渡到岛状生长的Stranski - Krastanow(SK) 模式 * * 应变自组装量子点结构材料的制备是利用SK生长模式，他主要用于描述具有较大晶格失配，而界面能较小的异质结构材料生长行为。 这种方法的优点是可将QDs 的横向尺寸缩小到几十纳米以内，可做到无损伤 缺点是量子线和量子点的几何形状 尺寸均匀性和密度难以控制 * * 低维半导体结构材料的其它制备技术 在图形化衬底和不同取向晶面上的选择外延生长技术如: 不同晶面生长速度不同的V 型槽生长技术 解理面再生长技术; 高指数面生长技术; 小角度倾斜晶面生长短周期超晶格材料技术 在其他图形化衬底上的生长技术等。 * * 单原子操纵和加工技术也受到重视 * * 纳米材料的评价技术 光 学 显 微 镜 电 子 显 微 镜 纳米显微镜 扫描探针显微镜（SPM） STM AFM * * HRTEM技术 STM和AFM原位检测技术 第一台STM是Binnig和Rohrer于1981年研制出来的，因此而获得诺贝尔物理学奖。它的工作原理是基于20世纪60年代约瑟夫逊发现的量子隧道效应。 STM是通过隧道电流来反映表面形貌的，因此，只适用于具有一定导电性的样品。 * * 1986年，Binnig和美国斯坦福大学物理系的 Quate教授合作，成功研制了既能用于导电样品又能用于绝缘样品的原子力显微镜（AFM）。 * * * * 高空间分辨阴极荧光(EL) 和SEM技术 近场高空间分辨PL 技术 近场PL 技术是一个正在发展中的技术,它不受常规光学显微镜受光衍射极限(最小光束直径≈λ/2) 的限制,通过光纤有可能实现具有纳米量级的光束直径光源。 利用这种光源结合高灵敏的光探测器可实现对单个量子点光学性质进行研究。 * * 当材料的尺度减小到纳米范围时，会展现出一些量子效应，主要有： 量子相干效应（Quantum interference effect） 量子限制效应（Quantum confinement effect） A-B效应（Aharonov-Bohm effect），即弹性散射不破坏电子相干性 量子霍尔效应（Quantum Hall effect） 普适电导涨落（Universal conductance flutuations）特性 库仑阻塞（Coulumb blockade）效应 海森堡不确定效应（Heisenberg uncertainty effect） * * 对于半导体纳米材料，量子限制效应表现尤为明显。 即当半导体材料的尺度进入纳米范围时，其电子能级将发生分裂，并且材料的禁带宽度也将随着尺度的减小而展宽。 从而可以通过调节材料的大小来改变其禁带宽度。 掺杂工程 能带工程 * * 量子点材料 胶体化学法是近十年来才出现的一 种制备纳米晶材料的新方法。优点： 胶体化学技术制备出的量子点是孤立的而不是埋在另一种半导体材料中，因此是无应力的，可以很容易制备粒度相当小的量子点（20-100 ?），量子点的形状和大小都可以得到很好的控制（量子点平均粒度变化为5-10％） 胶体量子点可以很容易形成紧密包裹的量子点阵列，从而得到无定型量子点或晶体量子点（三维超晶格和类蛋白石结构） * * 在合成之后对QDs进行适当的表面化学修饰，可以消除表面缺陷态对量子点电子结构的影响，还可以使量子点用于各种不同的环境和更复杂的结构之中。 既可以在溶液中以固体粉末的形式也可以在薄膜中以固体量子点阵列的形式研究胶体量子点 生长设备简单，廉价，对原料 纯度要求不太高。 * * 胶体化学法合成的半导体量子点主要是化合物半导体包括：I-VII, II-VI