氧化锌在硅衬底上的分子束外延生长动力学分析

近来，氧化锌(ZnO)材料得到广泛关注和研究，但高质量ZnO的薄膜制备、p型掺杂等问题仍然阻碍着ZnO材料应用开发的进一步开展。ZnO材料基本性质研究和材料生长动力学分析变得更加重要和紧迫,但当前ZnO生长动力学的原位分析不足且精细程度不高。本项目将采用分子束外延生长(MBE)和扫描探针(SPM)联合系统，研究硅(Si)衬底上ZnO的MBE生长动力学。通过优化生长条件和材料结构，使用高分辨RHEED和STM/AFM 原位分析表面/界面，以探索高质量ZnO材料的MBE制备。分析杂质缺陷、结构相变及其它物理特性，表面/界面对材料特性的影响。结合理论计算模拟,研究Si衬底上ZnO材料的生长动力学及材料的制备、特性、改性、杂质缺陷、表面/界面等问题。预计将部分揭示ZnO的MBE生长动力学，为高质量Si衬底上ZnO材料的制备提供理论和实验依据，促进其研究和应用开发。

本课题采用分子束外延生长(MBE)和扫描探针(SPM)联合系统，结合理论计算和其他实验方法，开展了硅(Si)衬底上ZnO材料的MBE生长及其动力学相关的研究，取得了一些初步成果和进展。.首先，我们采用MBE方法，控制温度、压力、处理过程等实验参数来优化生长条件，使用高分辨RHEED和STM/AFM 原位分析表面/界面，探索了在硅衬底上高质量ZnO材料的MBE制备。生长过程中，以Si(100)¬-2x1再构表面为生长基础，尝试了直接生长、MgO缓冲层、MgO/ZnMgO超晶格缓冲层等几种结构。.XRD和实时的STM/AFM观测分析表明，在Si(100)-2x1再构上进行ZnO薄膜的MBE生长，初期容易形成闪锌矿结构的亚稳态ZnO，在表面呈现具有四方特性的小岛。其物理特性相当稳定，但在不同的退火条件和随着时间推移，样品的表面和结构会发生演变。.进一步的PL、Raman、XRD、XPS、吸收谱、透射谱等实验分析证实了上述的STM观察，即材料包含了闪锌矿结构和六角纤锌矿结构。随着时间演变和退火等后期处理，样品的结构和表面，及光电特性呈现出越来越多的纤锌矿材料特性。.为了分析ZnO/Si的SiOx界面和控制方法，我们尝试了不同的衬底表面预处理的方法，结果表明，采用氮化方法有助于减少ZnO和Si衬底间的SiOx界面层，并提高外延ZnO的薄膜质量。此外，采用了多层或者超晶格缓冲层等结构，可以进一步提高外延层的表面和晶体结构性能。.本工作的研究说明，尽管ZnO和Si(100)衬底之间存在着巨大的晶格适配，容易形成闪锌矿和纤锌矿混合的薄膜材料，也容易在界面处形成SiOx界面层，但是我们可以采用氮化处理来减少SiOx的界面厚度，使用多层和超晶格缓冲层结构等方法，获得较高质量的ZnO薄膜，并通过调控超晶格结构的方法，部分调控材料的结构特性。第一性原理计算和蒙托卡罗动力学模拟分析表明，在MBE生长过程中，在单层以内，闪锌矿结构和纤锌矿结构交替出现，但在完整的单层内则以纤锌矿为主。而且在生长过程中，有可能以团簇方式在表面上逐渐沉积。本课题已发表论文7篇。