不同能量密度对脉冲激光沉积纳米硅晶粒尺寸的影响

邓泽超，罗青山，丁学成，褚立志，王英龙

(河北大学 物理科学与技术学院，河北省光电信息材料重点实验室，河北 保定 071002)

不同能量密度对脉冲激光沉积纳米硅晶粒尺寸的影响

邓泽超，罗青山，丁学成，褚立志，王英龙

(河北大学 物理科学与技术学院，河北省光电信息材料重点实验室，河北 保定 071002)

在室温条件下保持Ar环境气体压强不变，采用脉冲激光沉积(PLD)技术，通过改变激光能量密度，在与烧蚀羽辉轴线垂直放置的衬底上沉积了一系列纳米硅晶薄膜，利用扫描电子显微镜(SEM)和拉曼(Raman)散射光谱对样品进行特性分析.结果表明，在能量密度为2～4 J/cm2时，衬底上沉积的纳米硅晶粒尺寸和面密度基本不变.结合纳米晶粒成核生长动力学，对结果进行了定性解释.

脉冲激光沉积；能量密度；纳米硅晶粒；晶粒尺寸

近年来，纳米硅晶粒(薄膜)在微电子器件、光电集成等领域应用越来越广泛[1-2].然而，晶粒尺寸的均匀可控也逐渐成为其产业化应用的最大障碍.理想尺寸纳米晶粒的制备，将会极大提高各种器件的效率和性能.在诸多纳米晶粒制备和研究的方法中，脉冲激光沉积(PLD)技术以其加热速度快、粒子基团蒸气浓度高、成分保真性好和衬底表面玷污小等优点而被广泛采用[3-5].为制备尺寸均一可控和性能良好的纳米晶粒，制备过程通常在一定压强的惰性(如He, Ne, Ar)[6]或活性(H2,N2,O2)[7-8]环境气体中进行.因此，烧蚀激光的频率[9]、能量密度以及环境气体种类[10]、反应压强[11]等参量都直接影响着所制备晶粒的尺寸和性能.了解并有效控制这些因素对晶粒尺寸的影响，将会为制备理想尺寸纳米晶粒，实现其产业化应用提供参考.

笔者采用脉冲激光沉积技术，在不改变其他实验条件的前提下，通过调整激光能量密度，分析了它对沉积所得纳米硅晶粒尺寸的影响，并对结果进行了定性解释.

1 实验方法

实验所用激光光源为波长308 nm，脉宽15 ns的XeCl 准分子脉冲激光.环境保持为室温，在反应室真空度低于2×10-4Pa后，充入高纯Ar(φ(Ar)≥99.999%)作环境气体；靶材使用高阻抗单晶Si(电阻率为3 000 Ω·cm)靶，安装在可匀速转动的步进电机上，转速为6 r/min.衬底分别采用Si(111)单晶和普通玻璃，垂直于烧蚀羽辉轴线放置，靶衬间距为3 cm.实验过程中，激光能量密度为2～4 J/cm2，脉冲频率3 Hz，压强为10 Pa.在单晶硅和玻璃衬底上沉积的时间分别为10 min和3 h.单晶Si衬底上制备的样品形貌用SEM表征,玻璃衬底上制备的样品特性用Raman进行表征.

2 实验结果

样品的SEM检测结果如图1所示.由图1可知，纳米晶粒尺寸分布比较均匀.另外，根据笔者以前对形成纳米硅晶粒能量密度阈值的研究结果可知[12]，在本文中的实验条件下，SEM图中所形成的纳米硅颗粒均为晶态.对不同能量密度下薄膜中的晶粒进行尺寸和面密度统计结果表明，二者变化幅度都非常小，并且没有单调递增或单调递减的趋势，因此可以近似认为不变.也就是说，所沉积的纳米晶粒尺寸和面密度不随激光能量密度的变化而变化，统计结果如表1所示.

表1 不同能量密度下晶粒和烧蚀粒子状态参数

为了进一步验证晶粒尺寸的变化情况，将沉积在玻璃衬底上的样品进行了Raman谱的检测，结果如图2所示.Raman谱线的主峰位出现在516.3～518.8 cm-1附近，均接近于单晶硅的特征峰520 cm-1，并且峰值之间差距很小，同样也没有单调变化的趋势.根据晶粒尺寸计算公式d=2π(B/w)1/2可知[13]，谱线峰位差值很小表明纳米晶粒尺寸非常接近，与表1的统计结果相符合.

图2 不同能量密度下样品Raman图

3 结果分析

根据激光烧蚀靶材动力学理论，在其他实验条件不变的情况下，对不同激光能量密度下的烧蚀过程进行了数值模拟，得出了烧蚀硅原子总数随能量密度变化的情况，结果如表1所示.从表1可以看出，随着激光能量密度的增大，烧蚀产生的硅原子总数相应增加.另外，随着激光能量密度的增加，烧蚀羽辉的体积也相应变大.根据成核区模型理论，当烧蚀粒子的温度低于单晶硅熔点以后，成核现象开始发生.也就是说，温度决定了晶粒的成核位置[10]，并且晶粒的成核与生长都发生在成核区范围内.笔者认为，晶粒的成核与生长过程除了受温度影响外，同时还受到成核粒子过饱和密度的影响，即只有当过饱和密度达到一定的阈值后，烧蚀粒子才能成核.同时，过饱和密度的大小也影响着晶粒的成核率和生长过程.也就是说，在温度符合成核条件的前提下，过饱和密度越大，成核粒子相互碰撞结合的几率就越大，成核率也就越高.与此同时，成核后的晶粒在较高的过饱和密度环境中，与其他烧蚀粒子碰撞的次数相应增加，从而使得晶粒尺寸变大.

在本实验中，SEM和Raman检测结果均表明，晶粒尺寸基本不变，这是由于成核粒子的过饱和密度没有发生明显的变化导致的.虽然在烧蚀激光能量密度增大的情况下，烧蚀粒子总数增加了，但同时，烧蚀羽辉的体积也相应增大了，这就导致过饱和密度ρ=m/V变化很小，或者基本保持不变.因此，成核后的晶粒的生长环境不变，尺寸也基本保持不变.

4 结论

采用脉冲激光沉积技术，在其他实验条件不变的情况下，通过改变烧蚀激光能量密度，研究了垂直于烧蚀羽辉轴线放置的衬底上沉积所得纳米硅晶粒的尺寸和面密度变化情况.结果表明：随着激光能量密度的增加，晶粒尺寸和面密度基本不变，通过对烧蚀过程进行数值模拟，结合纳米硅晶粒成核与生长条件，对实验结果进行了合理解释，并得出了成核粒子的过饱和密度决定成核晶粒尺寸的结论.该结果将为深入研究激光烧蚀制备理想尺寸纳米硅晶粒，以及研究其成核生长动力学过程提供参考.

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(责任编辑：孟素兰)

InfluenceofdifferentenergydensitiesonsizeofSinanocrystalgrainspreparedbypulsedlaserdeposition

DENGZe-chao,LUOQing-shan,DINGXue-cheng,CHULi-zhi,WANGYing-long

( Key Laboratory of Photo-Electricity Information Materials of Hebei Province, College of Physics Science and Technology, Hebei University,Baoding 071002，China)

Si nanocrystal thin films were prepared by pulsed laser deposition under different energy densities in fixed pressure of Ar gas at room temperature during the process of deposition, substrates were placed vertical to plume axis.The samples were analyzed by scaning electron microscope (SEM) and Raman (Raman) scattering spectrums respectively.It was indicated that the size and areal density of grains on substrates were invariability basically in the range of 2-4 J/cm2, the results were qualitatively explained based on dynamics of nucleation and growth of grains.

pulsed laser deposition；energy density；Si nanocrystal grain；grain size

O484.1

A

1000-1565(2012)01-0024-04

2011-04-28

河北省自然科学基金资助项目(E2011201134)；河北省教育厅基金资助项目(2009308)

邓泽超 (1978-),男，河北固安人，河北大学讲师，主要从事纳米材料方向研究．

E-mail:dengzechao@hbu.edu.cn

王英龙(1965-)，男，河北定州人，河北大学教授，博士生导师，主要从事纳米材料方向研究．

E-mail:hdwangyl@hbu.edu.cn