一種硅烯的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種晶體材料，具體為硅烯制備的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅烯是一種硅原子呈平面蜂窩狀排列的二維納米材料，具有良好的二維晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。與零帶隙的石墨烯相比，硅烯具有一定的禁帶寬度，因此在半導(dǎo)體電子器件和光電子器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。目前制備硅烯的方法有外延生長和離子注入方法。
[0003](— )外延生長。國際上首次制備硅烯即用此方法，即硅源蒸發(fā)外延生長法。硅烯的特殊層狀結(jié)構(gòu)要求使用銀單晶等特殊襯底材料。但是，當(dāng)蒸發(fā)的原子在襯底上外延生長硅烯時(shí)，由于受到較強(qiáng)的界面相互作用，硅烯會(huì)出現(xiàn)重構(gòu)，原子層翹曲程度發(fā)生變化，有些原子會(huì)上升，有些原子會(huì)下降，導(dǎo)致晶胞變大，對(duì)稱性降低，或形成少層(few-layer)結(jié)構(gòu)，從而破壞娃稀的狄拉克-費(fèi)米特性，影響娃稀膜層材料的性能。
[0004](二)離子束方法。由離子源引出團(tuán)簇離子束，注入到襯底材料表面層，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，引?dǎo)原子析出和成核生長，形成單層或少層二維材料。由于碳、硅等少數(shù)元素可以形成較大的團(tuán)簇離子束流，因此，離子束方法可用于石墨烯和硅烯的制備。
[0005]另一方面，離子源引出的團(tuán)簇離子束還可以進(jìn)行減速，形成能量在10eV/atom以下的超低能團(tuán)簇離子束，直接沉積在襯底表面而形成二維材料。
[0006]團(tuán)簇離子束的特點(diǎn)是原子的能量、沉積劑量精確可控，抵達(dá)襯底表面的團(tuán)簇離子具有單一的尺寸、質(zhì)量和能量，因此可以獲得厚度、結(jié)晶度可控的超薄二維材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種制備硅烯材料的方法，用銫離子濺射高純硅靶，產(chǎn)生硅的團(tuán)簇負(fù)離子束，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)離子源的靶濺射電流、離子束引出電壓，獲得較大束流的硅團(tuán)簇負(fù)離子，經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)(質(zhì)量選擇)和二維靜電掃描，注入到單晶Ag(lll)襯底表面。然后在超高真空中退火，注入在襯底表面層的硅原子在Ag襯底表面進(jìn)行重構(gòu)，形成硅烯。
[0008]本發(fā)明為了達(dá)到上述目的，設(shè)計(jì)了一種制備硅烯材料的裝置，它主要由離子源、掃描器、沉積靶室和真空系統(tǒng)組成。離子源、掃描器、沉積靶室依次相連，處于真空系統(tǒng)之中。離子源產(chǎn)生的硅團(tuán)簇離子束，得到負(fù)離子束掃描在襯底上形成厚度均勻硅烯膜。原理簡圖如圖1。
[0009]為了提高硅團(tuán)簇束流，濺射靶采用特定的凹錐形設(shè)計(jì)(錐角45-60度，見說明書附圖3)，以達(dá)到增加束流和聚焦雙重效果，并采用高純硅塊加工成靶，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的束流輸出。
[0010]本發(fā)明所述離子源由銫爐、離化器、硅靶、吸極幾部分構(gòu)成，離子源工作原理:銫爐中的液態(tài)金屬銫在加熱作用下蒸發(fā)，產(chǎn)生的銫蒸汽到達(dá)用大電流加熱的鎧裝鉭絲繞成的凹面型離化器的表面，冷的銫的氣體分子遇到熱鉭絲而電離，產(chǎn)生的銫離子在負(fù)的靶電壓作用下加速往靶運(yùn)動(dòng)，將靶中硅原子以團(tuán)簇負(fù)離子的形式濺出，團(tuán)簇負(fù)離子在一個(gè)高于靶電位的吸極負(fù)電壓作用下加速往吸極運(yùn)動(dòng)，最終將團(tuán)簇負(fù)離子由吸極引出[見說明書附圖2]。
[0011]本發(fā)明以高純硅靶作為濺射靶，濺射電壓Vsp為5-6kV;濺射產(chǎn)生的硅的團(tuán)簇負(fù)離子束由吸極引出孔引出，吸極電壓Vex—般為10-20 kV。引出的Sh_Si7對(duì)應(yīng)的團(tuán)簇束流如圖4所示，Vex=20.0 kV。
[0012]本發(fā)明所述掃描器采用靜電掃描方式，用0_15kV連續(xù)可調(diào)的雙路三角波電源驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)離子束在XY方向的均勻掃描，掃描器安裝在兩個(gè)45度磁鐵之間的真空盒內(nèi)。
[0013 ]本發(fā)明所述的硅烯的制備方法，包括以下步驟:
(1)硅靶的制備:
將純度為99.9%的硅塊經(jīng)車間加工成硅靶，硅靶的形狀為凹錐形；
(2)引出硅團(tuán)簇離子束:
將上述硅靶安裝在濺射靶上，在控制鉭絲的加熱電流20-28 A，濺射硅靶的濺射電壓為5-6 kV，吸極電壓為10-20 kV的條件下，用銫離子濺射硅靶，濺射產(chǎn)生的Si2—團(tuán)簇負(fù)離子束由吸極引出孔引出；
(3)團(tuán)簇咼子注入:
將Si2—團(tuán)簇負(fù)離子束注入到單晶Ag( 111)襯底中，形成硅烯；
(4)濺射及退火處理:
將注入完成的樣品放至2X10—3-5 X10—3真空腔內(nèi)，用600 eV的Ar+離子對(duì)表面進(jìn)行濺射，以清除表面污染物，然后在8X10—9 -2X10—8 Pa的超高真空下對(duì)樣品進(jìn)行退火處理，退火溫度為400-500°C，即可完成硅烯的制備。
[0014]所述的濺射硅靶的凹錐形的錐形角的角度為45-60°，濺射硅靶長度為15mm，直徑為7 mm。
[0015]步驟(2)中，濺射出的Si2—團(tuán)簇負(fù)離子束的能量為5-201^ν<^?2—團(tuán)簇負(fù)離子束為Sii_Si7團(tuán)簇束流。
[0016]步驟(3)中，單晶Ag(lll)襯底的大小為5X5mm2。
[0017]步驟(3沖，Si2—團(tuán)簇負(fù)離子束注入劑量為2X1015 atoms/cm2。
[0018]步驟⑷中，派射的真空度為4X10—3;退火的真空度為10—8 Pa;退火溫度為450°C。
[0019]本發(fā)明的有益效果是提供了一種制備硅烯的方法，其的優(yōu)點(diǎn)是；(1)注入的硅原子的數(shù)目可由束流積分儀讀出，從而制備的硅烯厚度精確可控；(2)可在室溫下沉積；(3)掃描作用下可制備均勻性較好的薄膜。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明裝置原理圖。1.負(fù)團(tuán)簇束、2.掃描電場、3.樣品架、4.減速場、5.束流積分儀。
[0021]圖2為本發(fā)明所述離子源的結(jié)構(gòu)圖。圖中6.銫爐、7.離化器、8.冷卻劑、9.硅靶、10.陰極絕緣子。
[0022]圖3為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的濺射靶的形狀示意圖。
[0023]圖4為本裝置濺射產(chǎn)生的Sh_Si7對(duì)應(yīng)的團(tuán)簇束流。
[0024]圖5為本裝置所制備的硅膜的XPS圖。其中(a)為400°C濺射后的圖、(b)為450°C退火圖、(c)為500°C退火圖。
[0025]圖6為本裝置所制備的硅膜的LEED圖。其中(a)為400°C退火圖、(b)為450°C退火圖、(c)為500°C退火圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例1
由于引出的負(fù)離子的束流強(qiáng)度會(huì)直接影響到離子注入的效率，所以很有必要優(yōu)化濺射束流。普通的平面形靶材對(duì)濺射的負(fù)離子的散射作用較強(qiáng)，導(dǎo)致引出的束流強(qiáng)度較弱。若將靶材的前端設(shè)計(jì)成錐角為45-60°的凹錐形(見附圖3)，則在濺射過程中的散射作用被減弱，聚焦作用被大大增強(qiáng)，從而增大負(fù)離子束流。實(shí)驗(yàn)證明，在其他條件相同的情況下，采用本發(fā)明中設(shè)計(jì)的凹錐形濺射靶，沉積靶室中引出的束流強(qiáng)度比用普通的平面靶材要高出約一個(gè)數(shù)量級(jí)，這將大幅提升離子注入的效率，尤其是對(duì)原子數(shù)大于4的團(tuán)簇負(fù)離子注入。
[0027 ]本方法獲得了 S i rSi 7團(tuán)簇，其束流與團(tuán)簇尺寸的關(guān)系如圖4所示，其中S i 2的束流達(dá)到3.5微安，Si7達(dá)到3nA，均可滿足硅烯沉積對(duì)離子數(shù)量的要求。
[0028]將能量為10keV的Si2—離子團(tuán)簇注入到單晶Ag(lll)襯底上，注入劑量為2X1015atoms/cm2，此劑量相當(dāng)于兩層厚度的硅烯膜層。前期實(shí)驗(yàn)證明，若注入對(duì)應(yīng)于單層硅烯厚度的原子劑量(IX 1015 atoms/cm2)，由于注入的硅原子有一定的深度分布，且在退火過程中硅原子的擴(kuò)散作用一方面會(huì)向襯底表面進(jìn)行，另一方面則向背離表面的方向進(jìn)行，所以會(huì)導(dǎo)致到達(dá)Ag(lll)表面的硅原子數(shù)目不足以形成單層硅烯，因而我們選擇了較大的注入劑量。
[0029]團(tuán)簇離子注入完成后，將注入的樣品放入掃描隧道顯微鏡(STM)設(shè)備系統(tǒng)的腔室內(nèi)，用600 eV的Ar+對(duì)樣品表面進(jìn)行濺射處理，以清除表面的污染物及吸附物，濺射時(shí)腔室的真空度為4 X 10—3 Pa。隨即在此腔室內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行退火處理，退火溫度為400-500°C，此退火過程的主要目的在于:一方面使注入的硅原子擴(kuò)散到襯底表面，另一方面使近表面因被離子注入轟擊而打亂的銀原子發(fā)生重構(gòu)，重新恢復(fù)到Ag( 111)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)硅烯在其表面產(chǎn)生。
[0030]在退火過程進(jìn)行的同時(shí)，我們對(duì)樣品進(jìn)行了 X射線光電子能譜(XPS)和低能電子衍射譜(LEED)的測量，結(jié)果見附圖5和圖6。從LEED圖譜中可以看出，圖中的衍射點(diǎn)較少，表明400°C的退火處理未能形成硅烯，表面結(jié)構(gòu)尚處錯(cuò)亂狀態(tài)。當(dāng)退火溫度升至450°C時(shí)，衍射點(diǎn)明顯增加，表明此溫度大大有利于銀原子在表面重構(gòu)。當(dāng)退火溫度繼續(xù)升至500時(shí)，衍射點(diǎn)未見繼續(xù)增加，由此推斷450°C是Ag(lll)襯底發(fā)生重構(gòu)的最佳溫度，利于硅烯的生長。XPS譜中也觀察到了相應(yīng)的S1-Si鍵和Ag-Si鍵。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種硅烯的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 硅靶的制備: (1)將純度為99.9%的硅塊經(jīng)車間加工成硅靶，硅靶的形狀為凹錐形； 引出硅團(tuán)簇離子束: (2)將上述硅靶安裝在銫濺射負(fù)離子源的濺射靶上，用銫離子濺射硅靶，濺射產(chǎn)生的Si2—團(tuán)簇負(fù)離子束由吸極引出孔引出； 團(tuán)簇尚子注入: (3)將單晶Ag(lll)襯底放置在沉積靶室中的樣品臺(tái)上，Si2—團(tuán)簇負(fù)離子在經(jīng)吸極電壓加速后經(jīng)過掃描電場均勾沉積在Ag (111)襯底上； (4)濺射及退火處理: 將注入完成的樣品放至掃描隧道顯微鏡下，在控制2 X 10—3-5 X 10—3的真空腔內(nèi)，用600eV的Ar+離子對(duì)表面進(jìn)行濺射，以清除表面污染物，然后在8X10—9 -2X10—8 Pa的超高真空下對(duì)樣品進(jìn)行退火處理，退火溫度為400-500°C，即可完成硅烯的制備。2.權(quán)利要求1所述的硅烯的制備方法，其特征在于，濺射硅靶的凹錐形的錐形角的角度為45-60°，濺射硅靶長度為15 mm，直徑為7 mm。3.權(quán)利要求1所述的硅烯的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，離子源中的鉭絲的加熱電流控制為20-24 A，濺射硅靶的濺射電壓為5-6 kV，吸極電壓為10-20 kV的條件下。4.權(quán)利要求1所述的娃稀的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，派射出的Si 2—團(tuán)簇負(fù)離子束的能量為5_20keV。5.權(quán)利要求1所述的硅烯的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，單晶Ag(lll)襯底的大小為5X5 mm2ο6.權(quán)利要求1所述的硅烯的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，Si2—團(tuán)簇負(fù)離子束注入劑量為2X1015 atoms/cm2。7.權(quán)利要求1所述的硅烯的制備方法，其特征在于，步驟(4)中，濺射的真空度為4X10―3;退火的真空度為10—8 Pa;退火溫度為450°C。8.權(quán)利要求1所述的硅烯的制備方法，其特征在于，Si2—團(tuán)簇負(fù)離子束為Sh-Si7團(tuán)簇束流。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種制備硅烯的方法。具體是將硅塊加工成硅靶，硅靶的形狀為凹錐形；將上述硅靶安裝在銫濺射負(fù)離子源的濺射靶上，用銫離子濺射硅靶，濺射產(chǎn)生的Si2-團(tuán)簇負(fù)離子束由吸極引出孔引出，Si2-團(tuán)簇負(fù)離子在經(jīng)吸極電壓加速后經(jīng)過掃描電場均勻沉積在Ag(111)襯底上；樣品在真空腔內(nèi)，Ar+離子對(duì)表面進(jìn)行濺射，然后在超高真空下對(duì)樣品進(jìn)行退火處理，即可完成硅烯的制備。本發(fā)明利用低能團(tuán)簇負(fù)離子束單個(gè)原子的低能量、劑量精確可控的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)直接沉積法制備硅烯。
【IPC分類】C01B33/021
【公開號(hào)】CN105439148
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510793100
【發(fā)明人】李慧, 石婷, 王澤松, 付德君
【申請(qǐng)人】宜昌后皇真空科技有限公司
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年11月18日