基于氦离子加工技术的锗硅量子点球差校正电子显微学研究

SiGe quantum dots (QDs) present a great potential for applications in opto-electronic devices. However, lack of control on the QDs formation limits the evolution of those devices. The combination of the patterned substrates with self-assembled growth techniques has been proved to be the most effective way for controlling the nucleation and growth of the QDs. Recently developed Helium ion microscopy (HIM), with sub-10nm fabrication capability, offers the ability to pattern the substrate with nano-scale precision, therefore opens the possibility to manipulate the QDs at the atomic level...This project plans to use environmental transmission electron microscope(TEM) with in-situ heating holder to directly observe the QDs formation process and to use STEM/EDX/holographic tomography to study the crystal structure and chemical composition in 3D format at sub nano-meter scale. The results can be used to investigate how the HIB patterning parameters and the main overgrowth parameters influence nucleation and overgrowth, including the size, shape, chemical composition, density and distribution of the QDs formed. The study will improve our fundamental knowledge on the QDs formation mechanism as well as the control on the QDs nucleation position and overgrowth, therefore down-sizing devices further and providing guidance for the modern QD devices designing.

锗硅量子点在光电器件领域展现出了巨大的应用潜能，然而量子点生长缺乏可控性却限制了它的发展。目前，通过在硅衬底上加工图案并进行自组织生长来控制量子点成核位子及其生长是国际上公认的最简便可行的方法。近年来出现的亚10 nm的氦离子束刻蚀加工技术使我们能够更精细的加工衬底， 为有效精确的控制量子点的形成提供了一种强有力的工具。..本项目拟用环境透射电镜配合原位加热样品杆直接观察锗硅量子点成核与生长的动态过程，并用球差校正透射电镜结合3D全息高分辨电子显微技术深入研究锗硅量子点的三维晶体结构和成分分布，从而量化氦离子束刻蚀加工参数和外延生长条件对锗硅量子点的尺寸、形状、成分分布及密度的影响，从热力学和动力学的角度进一步完善对图形硅衬底上的锗硅量子点生长机理的基础研究，提出可精确控制量子点成核位置及其生长的方案，为进一步缩小器件的尺寸及设计不同特性的量子点器件提供有效具体的指导。

锗硅量子点在光电器件领域展现出了巨大的应用潜能，然而量子点生长缺乏可控性却限制了它的发展。目前，通过在硅衬底上加工图案并进行自组织生长来控制量子点成核位子及其生长是国际上公认的最简便可行的方法。近年来出现的亚10 nm的氦离子束刻蚀加工技术使我们能够更精细的加工衬底，为有效精确的控制量子点的形成提供了一种强有力的工具。.研究过程中发现氦离子束刻蚀加工会使衬底（Si、SiO2、GaAs和GaN）非晶化并在样品内部产生氦离子气泡引起表面凸起。而以二维材料为衬底在其上加工图形既可以发挥氦离子束纳米级别精细加工又可避免衬底凸起，并且便于在透射电镜下表征研究量子点在二维材料上成核生长及其应用。因此项目组深入研究了氦离子束与二维材料MoS2的作用，发现MoS2的晶体结构会影响纳米孔的形状，另外控制氦离子束的剂量可以精准的控制纳米孔的大小。利用分子束外延系统在氦离子束刻蚀加工纳米孔后的MoS2上生长的Bi为黑磷相-Bi，随着Bi剂量的增加可形成量子点/纳米点、纳米片和纳米棒。纳米点主要搭载在纳米孔周围。