远程氢气等离子体诱导Fe-Si系纳米结构的可控制备及其结晶相控制研究

Iron-silicides as novel silicon-based materials have attracted great attentions in the field of electronic information materials in recent years because of their excellent photoelectric and magnetic fusion properties which is strongly dependent on their different crystalline phases. However, when the size of the iron-silicides are reduced to the level of nanometers, the formation mechanism in the nanostructures is different from the bulks and the arrangement of the atoms in the crystal is reconstructed, resulting in the transformation of its phase and the change of physical properties. The formation of nanodots with controlled size and understanding of the phase control mechanism at the nanoscale are the primary issues in the research of nanodevices. Therefore, there is an urgent need for in-depth research on preparation methods and modulation mechanisms. The project innovatively uses remote hydrogen plasma-induced technology to prepare phase and size-controlled iron-silicide nanodots on SiO2 and studies the formation process of iron-silicide nanodots to clarify the unique silicidation reaction mechanism in the Fe-Si system on the nanoscale. We will try to explore and reveal the physical mechanism in the formation of the iron-silicide nanocrystal nanodots and establish a method system for the control of the physical and chemical properties of the Fe-Si binary system on the nanoscale. The implementation of this project will expand the method and technology of controllable preparation of iron-silicide nanostructures and provide theoretical basis and experimental support for the development of new optoelectronic and magnetic storage devices.

铁硅二元化合物(Fe-Si)因其结晶物相的不同表现出光、电、磁融合的奇妙特性而作为一种新型硅基材料是近年来电子信息材料领域研究的热点之一。然而，铁硅二元化合物的空间尺寸减小到纳米量级时，其纳米结构的形成机制发生变化，使晶体中原子排列方式发生改变而导致其物相及物理性质发生变化。在纳米尺度上制备尺寸可控的量子点及理解其物相调控机制是纳米器件研究的首要解决的基本问题。迫切需要从制备方法和调控机理上进行深入的研究。本项目创新地采用远程氢气等离子体诱导辅助技术制备相、尺寸可控的Fe-Si系量子点，研究Fe-Si系量子点形成过程，解明Fe-Si系在纳米构造体系中特有的硅化反应机理。探究并揭示Fe-Si系纳米量子点形成过程中的物理规律，构筑纳米尺度上铁硅二元系结晶物相和物性调控的方法体系。本项目的实施将拓展Fe-Si系纳米结构可控制备的方法和工艺，为开发新型光电及磁性存储等器件提供理论基础和实验支持。

铁硅二元化合物（Fe-Si）作为一种新型硅基材料是近年来电子信息材料领域研究的热点之一。然而，铁硅二元化合物的尺寸减小到纳米量级时，其纳米结构的形成机制发生变化，使晶体中原子排列方式发生改变而导致其物相及物理性质发生变化。在纳米尺度上制备尺寸可控的量子点及理解其物相调控机制是纳米器件研究的首要解决的基本问题。迫切需要从制备方法和调控机理上进行深入研究。本项目创新地采用远程氢气等离子体辅助表面加热技术对Fe-Si二元系中的半导体相β-FeSi2和铁磁性合金Fe3Si纳米量子点的制备技术和相构造、物性调控的方法进行了研究，揭示了在等离子体作用下纳米尺度水平上Fe-Si系纳米量子点形成过程中特有的物理规律。获得了高密度、尺寸可调的单一相Fe3Si纳米量子点。主要研究内容包括1）远程氢气等离子体对Fe-Si系纳米量子点尺寸、化学组成、结晶相的影响、对远程辅助氢气等离子体技术制备Fe-Si纳米量子点的制备过程实验结果与常规快速热退火处理方法进行比较，解明了远程氢气等离子体辅助技术中的硅化反应进程机理。2）使用预沉积超薄Ag层诱导形成Fe-Si纳米量子点，通过热退火和远程H2等离子体处理方法制备了不同形状、尺寸的纳米点，超薄Ag层可以促进非晶态Fe-Si系纳米点更快转变为微晶相，通过改变Ag层的厚度可实现纳米结构的形状、大小调控。3）对单层Fe3Si纳米点磁化特性和隧穿磁阻效应的研究表明Fe3Si-NDs具有小的矫顽力大的饱和磁化强度，非常适合作为MTJ中的自由层。而且可实现低电流密度自旋注入磁化反转，且可以在室温、极低电压（0.5V）下工作，从而实现快速、低功耗器件。本项目研究结果为制备形状、晶相可控的Fe-Si纳米结构奠定了扎实的基础，拓展了Fe-Si纳米结构可控制备的方法和工艺，为开发新型光、电、磁器件提供了实验支持。