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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:邱元浩
研究生(外文):Yuan-Hao Chiu
論文名稱:鍺量子點在矽(100)表面之形貌演變
論文名稱(外文):Shape Evolution of Ge Island on Si (100)
指導教授:林更青
指導教授(外文):Keng-Ching Lin
學位類別:碩士
校院名稱:輔仁大學
系所名稱:物理學系
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:64
中文關鍵詞:分子束磊晶術量子點矽/鍺變溫探針式顯微鏡原子力顯微鏡穿遂掃描式顯微鏡超高真空系統一階相變
外文關鍵詞:molecular beam epitaxy (MBE)quantum dotsSi/Gevariable temperature scanning probe microscopy (VT-SPM)atom force microscopy (AFM)scanning tunneling microscopy (STM)ultrahigh vacuum system (UHV)first order phase transition
相關次數:
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本實驗是採用分子束磊晶術(MBE)在矽(100)表面形成自形成鍺量子點(Ge SAQDs),並且使用變溫掃描式探針顯微鏡(VTSPM)觀察鍺量子點形狀之演變,及其相變點能障大小。
由於鍺的晶格常數比矽大4.2%所產生的應變,導致矽表面隨鍺原子增加造成矽表面結構產生這一系列變化,而矽表面的變化順序如下: (2×N),(M×N),“屋頂形”量子點,“錐形”量子點,“圓頂形”量子點。在我的觀察中,量子點形狀與體積分布有明確的體積雙峰分布,體積較小的量子點為錐形而較大者為圓頂形。鍺量子點形狀由錐形變成圓頂形的演變過程為一階相變(圓頂形和錐形量子點可共同存在),我們採用一模型對整個演變過程定量,此模型考慮鍺量子點形狀決定於表面張力及其應變能量總和之最小值。在模型中我們選取合適的參數值得到兩個能障:(1)在矽表面形成量子點須克服一能障其值為5.4meV/個原子,(2)量子點的形狀由錐形變成圓頂形須克服另一能障其值為3.44meV/個原子。
Abstract
Shape Transition of Ge Island on Si (100)
Growth of self-assembled germanium quantum dots(Ge SAQDs) on Si (100) by molecular beam epitaxy (MBE) has been investigated in situ with variable temperature scanning probe microscopy (VTSPM).The germanium covered Si(100) surface evolves fallowing sequence from (2×N),(M×N),”hut” islands, ”pyramid” islands to ”dome” islands, as the germanium coverage increases. This structural change is originated from strain relaxation because the lattice constant for Ge is 4.2% larger than that of Si. In this thesis, I study the shape evolution of coherently strained Ge islands and extract quantitative energy barriers in this phase transition. As observed in previous report, I find a clear bimodal distribution of island size in which larger islands are of dome shape and smaller islands are pyramid shape. Coexistence of these two types of island indicates that the transition is first-order. I then adopt a quantitative model to determine the equilibrium shape of Ge QD by maximizing the sum of strain relaxation energy and surfaces energy cost. Optimal fitting parameters obtained from this model permit an estimation of two energy barriers:(1) barrier of QD formation: 5.4 meV/atom, (2) barrier of shape transition at the phase transition point: 3.4 meV/atom.
目錄
摘要 i
Abstract ii
謝辭 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 viii
第一章 背景介紹………………………………………… 1
1-1 前言………………………………………………………………1
1-2 異質磊晶…………………………………………………………2
1-2.1 薄膜的成長…………………………………………………………… 2
   1-2.2晶格差異(Lattice Mismatch)……………………………………… 3
1-3 矽(100)表面的重構(2X1)和(1X2) …………………………… 3
1-4 矽/鍺表面結構(在矽(100)長鍺) ……………………………… 5
1-4.1 矽(100)表面的重構(2XN)和(NX2) ………………………………… 6
1-4.2 矽(100)表面的重構(M×N)和(N×M) ………………………………… 8
1-4.3 矽(100)表面長成鍺量子點………………………………………… 8
第二章 實驗儀器介紹和操作…………………………… 11
2-1 超高真空系統(UHV) …………………………………………… 11
2-2矽表面的清潔(Cleaning of Si Surface) …………………… 16
2-3分子束磊晶 (Molecular beam epitaxy MBE) ………………… 26
2-4掃描式探針顯微鏡( Scanning Probe Microscope , SPM) ……………………………………………………………………35
2-4.1掃描穿遂顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope ,STM)及原理…………………………………………………………………… 36
2-4.2 STM之機械架構和影像擷取……………………………………… 36
2-4.3原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)原理及影像擷取…………………………………………………………………… 40
2-4.4 動態力檢測與非接觸式量測………………………………………41
2-5 STM探針的製造(Etching Tip) …………………………………42
第三章 實驗及結果……………………………………… 45
3-1 樣品矽(100)準備…………………………………………………45
3-2 鍺量子點(Ge Quantum Dots, QD) ………………………………46
3-3 鍺量子點的演變(呈現不同的面) ……………………………… 50
3-4 雙峰分佈(Bimodal Size Distribution ) ………………………52
3-5 在pyramid-dome 間迅速的轉變…………………………………53
3-6 鍺量子點演變(Q.D. Shape transition) ………………………54
第四章 結論……………………………………………… 63
參考資料 ……………………………………………………64
附錄 A …………………………………………………… 65
圖目錄
(圖1-1) 材料結構與PL的關係圖…………………………………………………1
(圖1-2)異質磊晶的成長模式示意圖……………………………………………2
(圖1-3) 晶格錯誤差排和coherent island的示意圖…………………………3
(圖1-4) 矽(100)表面結構的簡圖…………………………………………………4
(圖1-5) 矽(100)表面………………………………………………………………4
(圖1-6) 矽(100)表面的STM影像…………………………………………………5
(圖1-7) DVL結構的STM影像(128nm×128nm)………………………………………6
(圖1-8) DVL結構的STM影像(58nm×58nm)…………………………………………7
(圖1-9) M×N結構和量子點的STM影像……………………………………………8
(圖1-10) 錐形和圓頂形量子點結構的NC-AFM影像……………………………9
(圖1-11) 錐形和圓頂形鍺量子點能量(E)和體積(V)的曲線圖………………10
(圖2-1) 超高真空系統照片及側視圖…………………………………………11
(圖2-2) 超高真空系統之設計圖…………………………………………………13
(圖2-3) EMS電源供應器(前面板)…………………………………………………16
(圖2-4) EMS電源供應器(後面板) ………………………………………………17
(圖2-5) Local control的設定……………………………………………………17
(圖2-6) Remote control by External Voltage,Current Model………………17
(圖2-7) EMS 電源供應器遠端控制接線圖………………………………………18
(圖2-8) 樣品的溫度與通過樣品電流的關係圖…………………………………19
(圖2-9) 清理矽樣品系統的接線圖 ……………………………………………20
(圖2-10) Si-Flash.EMS主程式……………………………………………………22
(圖2-11) 清理矽樣品溫度與時間的關係圖……………………………………23
(圖2-12) 燈絲加熱樣品示意圖…………………………………………………24
(圖2-13) sample holder for electron bombard示意圖…………………………25
(圖2-14) 分子束磊晶示意圖……………………………………………………26
(圖2-15) 分子束磊晶槍簡圖(MBE GUN) …………………………………………27
(圖2-16) 蒸鍍源位置圖…………………………………………………………27
(圖2-17) 電子束加熱蒸鍍源……………………………………………………28
(圖2-18) 燈絲和坩堝的位置圖(MBE) ……………………………………………28
(圖2-19) EGCO4 電源供應器的簡圖………………………………………………30
(圖2-20) EGCOVI Control Software主視窗……………………………………30
(圖2-21)“Editor Profile”視窗………………………………………………31
(圖2-22) 控制Flux程式視窗……………………………………………………32
(圖2-23) 程式視窗(選取資料路徑)…………………………………………… 32
(圖2-24) 程式視窗(控制分子束流量的每個步驟)……………………………33
(圖2-25) 程式視窗(控制分子束流量)…………………………………………33
(圖2-26) 程式視窗(儲存資料路徑)……………………………………………33
(圖2-27) 鍺分子束的流量和時間的關係圖……………………………………34
(圖2-28) STM簡圖………………………………………………………………37
(圖2-29) 定電流取像法…………………………………………………………39
(圖2-30) 定高度取像法…………………………………………………………39
(圖2-31) AFM 簡圖…………………………………………………………………40
(圖2-32) force curve……………………………………………………………40
(圖2-33) 蝕刻STM探針的簡圖……………………………………………………42
(圖2-34) 探針與液面間的相對位置……………………………………………43
(圖2-35) STM Tip …………………………………………………………………44
(圖2-36) STM tip holder(無針) …………………………………………………44
(圖2-37) STM tip holder(有針) …………………………………………………44
(圖3-1) 超高真空系統照片………………………………………………………45
(圖3-2) NC-AFM影像(屋頂形量子點分佈) ………………………………………47
(圖3-3) NC-AFM影像(錐形和圓頂形量子點分佈) ……………………………48
(圖3-4) NC-AFM影像(圓頂形量子點分佈) ………………………………………49
(圖3-5) NC-AFM影像(量子點演變呈現不同的面)………………………………51
(圖3-6) 鍺量子點體積的雙峰分佈………………………………………………52
(圖3-7) 鍺量子點沿(010)方向所作之剖面圖………………………………….53
(圖3-8) 2-D量子點的簡圖…………………………………………………………54
(圖3-9) 2-D量子點的虛擬(010)方向……………………………………………55
(圖3-10) 體積(V)和邊長(L)的關係圖(010)方向………………………………56
(圖3-11) 2-D量子點的虛擬(011)方向……………………………………………57
(圖3-12) 體積(V)和邊長(L)的關係圖(011)方向………………………………58
(圖3-13) ΔE total與 L2之關係圖…………………………………………………60
(圖3-14) ΔE(total)與V之關係圖………………………………………………61
表目錄
(表2-1) EMS電源供應器上的電壓值、電流值與樣品溫度的關係………………18
(表2-2) Lab view program 中flash temperature 和EMS電源供應器上的電
壓、電流及TB pin10~12間的電壓………………………………………24
(表2-3) 磊晶時擋板與蒸鍍源的相對位置………………………………………34
(表3-1) 參數S1、S2、Γ2/C、R (Γ1/Γ2)…………………………………………59
(表4-1)量子點體積和能障的關係……………………………………
目錄
摘要 i
Abstract ii
謝辭 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 viii
第一章 背景介紹………………………………………… 1
1-1 前言………………………………………………………………1
1-2 異質磊晶…………………………………………………………2
1-2.1 薄膜的成長…………………………………………………………… 2
   1-2.2晶格差異(Lattice Mismatch)……………………………………… 3
1-3 矽(100)表面的重構(2X1)和(1X2) …………………………… 3
1-4 矽/鍺表面結構(在矽(100)長鍺) ……………………………… 5
1-4.1 矽(100)表面的重構(2XN)和(NX2) ………………………………… 6
1-4.2 矽(100)表面的重構(M×N)和(N×M) ………………………………… 8
1-4.3 矽(100)表面長成鍺量子點………………………………………… 8
第二章 實驗儀器介紹和操作…………………………… 11
2-1 超高真空系統(UHV) …………………………………………… 11
2-2矽表面的清潔(Cleaning of Si Surface) …………………… 16
2-3分子束磊晶 (Molecular beam epitaxy MBE) ………………… 26
2-4掃描式探針顯微鏡( Scanning Probe Microscope , SPM) ……………………………………………………………………35
2-4.1掃描穿遂顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope ,STM)及原理…………………………………………………………………… 36
2-4.2 STM之機械架構和影像擷取……………………………………… 36
2-4.3原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)原理及影像擷取…………………………………………………………………… 40
2-4.4 動態力檢測與非接觸式量測………………………………………41
2-5 STM探針的製造(Etching Tip) …………………………………42
第三章 實驗及結果……………………………………… 45
3-1 樣品矽(100)準備…………………………………………………45
3-2 鍺量子點(Ge Quantum Dots, QD) ………………………………46
3-3 鍺量子點的演變(呈現不同的面) ……………………………… 50
3-4 雙峰分佈(Bimodal Size Distribution ) ………………………52
3-5 在pyramid-dome 間迅速的轉變…………………………………53
3-6 鍺量子點演變(Q.D. Shape transition) ………………………54
第四章 結論……………………………………………… 63
參考資料 ……………………………………………………64
附錄 A …………………………………………………… 65
圖目錄
(圖1-1) 材料結構與PL的關係圖…………………………………………………1
(圖1-2)異質磊晶的成長模式示意圖……………………………………………2
(圖1-3) 晶格錯誤差排和coherent island的示意圖…………………………3
(圖1-4) 矽(100)表面結構的簡圖…………………………………………………4
(圖1-5) 矽(100)表面………………………………………………………………4
(圖1-6) 矽(100)表面的STM影像…………………………………………………5
(圖1-7) DVL結構的STM影像(128nm×128nm)………………………………………6
(圖1-8) DVL結構的STM影像(58nm×58nm)…………………………………………7
(圖1-9) M×N結構和量子點的STM影像……………………………………………8
(圖1-10) 錐形和圓頂形量子點結構的NC-AFM影像……………………………9
(圖1-11) 錐形和圓頂形鍺量子點能量(E)和體積(V)的曲線圖………………10
(圖2-1) 超高真空系統照片及側視圖…………………………………………11
(圖2-2) 超高真空系統之設計圖…………………………………………………13
(圖2-3) EMS電源供應器(前面板)…………………………………………………16
(圖2-4) EMS電源供應器(後面板) ………………………………………………17
(圖2-5) Local control的設定……………………………………………………17
(圖2-6) Remote control by External Voltage,Current Model………………17
(圖2-7) EMS 電源供應器遠端控制接線圖………………………………………18
(圖2-8) 樣品的溫度與通過樣品電流的關係圖…………………………………19
(圖2-9) 清理矽樣品系統的接線圖 ……………………………………………20
(圖2-10) Si-Flash.EMS主程式……………………………………………………22
(圖2-11) 清理矽樣品溫度與時間的關係圖……………………………………23
(圖2-12) 燈絲加熱樣品示意圖…………………………………………………24
(圖2-13) sample holder for electron bombard示意圖…………………………25
(圖2-14) 分子束磊晶示意圖……………………………………………………26
(圖2-15) 分子束磊晶槍簡圖(MBE GUN) …………………………………………27
(圖2-16) 蒸鍍源位置圖…………………………………………………………27
(圖2-17) 電子束加熱蒸鍍源……………………………………………………28
(圖2-18) 燈絲和坩堝的位置圖(MBE) ……………………………………………28
(圖2-19) EGCO4 電源供應器的簡圖………………………………………………30
(圖2-20) EGCOVI Control Software主視窗……………………………………30
(圖2-21)“Editor Profile”視窗………………………………………………31
(圖2-22) 控制Flux程式視窗……………………………………………………32
(圖2-23) 程式視窗(選取資料路徑)…………………………………………… 32
(圖2-24) 程式視窗(控制分子束流量的每個步驟)……………………………33
(圖2-25) 程式視窗(控制分子束流量)…………………………………………33
(圖2-26) 程式視窗(儲存資料路徑)……………………………………………33
(圖2-27) 鍺分子束的流量和時間的關係圖……………………………………34
(圖2-28) STM簡圖………………………………………………………………37
(圖2-29) 定電流取像法…………………………………………………………39
(圖2-30) 定高度取像法…………………………………………………………39
(圖2-31) AFM 簡圖…………………………………………………………………40
(圖2-32) force curve……………………………………………………………40
(圖2-33) 蝕刻STM探針的簡圖……………………………………………………42
(圖2-34) 探針與液面間的相對位置……………………………………………43
(圖2-35) STM Tip …………………………………………………………………44
(圖2-36) STM tip holder(無針) …………………………………………………44
(圖2-37) STM tip holder(有針) …………………………………………………44
(圖3-1) 超高真空系統照片………………………………………………………45
(圖3-2) NC-AFM影像(屋頂形量子點分佈) ………………………………………47
(圖3-3) NC-AFM影像(錐形和圓頂形量子點分佈) ……………………………48
(圖3-4) NC-AFM影像(圓頂形量子點分佈) ………………………………………49
(圖3-5) NC-AFM影像(量子點演變呈現不同的面)………………………………51
(圖3-6) 鍺量子點體積的雙峰分佈………………………………………………52
(圖3-7) 鍺量子點沿(010)方向所作之剖面圖………………………………….53
(圖3-8) 2-D量子點的簡圖…………………………………………………………54
(圖3-9) 2-D量子點的虛擬(010)方向……………………………………………55
(圖3-10) 體積(V)和邊長(L)的關係圖(010)方向………………………………56
(圖3-11) 2-D量子點的虛擬(011)方向……………………………………………57
(圖3-12) 體積(V)和邊長(L)的關係圖(011)方向………………………………58
(圖3-13) ΔE total與 L2之關係圖…………………………………………………60
(圖3-14) ΔE(total)與V之關係圖………………………………………………61
表目錄
(表2-1) EMS電源供應器上的電壓值、電流值與樣品溫度的關係………………18
(表2-2) Lab view program 中flash temperature 和EMS電源供應器上的電
壓、電流及TB pin10~12間的電壓………………………………………24
(表2-3) 磊晶時擋板與蒸鍍源的相對位置………………………………………34
(表3-1) 參數S1、S2、Γ2/C、R (Γ1/Γ2)…………………………………………59
(表4-1)量子點體積和能障的關係………………………………………………63
參考資料
1 Y, -W. Mo, D. E. Savage, B. S. Swartzentruber, and M.G. Lagally, Phys. Rev. Lett 65,
1020(1990)
2 D. J. Eaglesham and M. Cerullo, Phys. Rev. Lett 64, 1943(1990)
3 B. S. Swartzentruber, Y, -W. Mo, M. B. Webb, and M.G. Lagally, J. Vac. Sci.
Technol. A7(4), 2901(1989)
4 D. J. Chadi, Phys. Rev. Lett 59, 1691(1987)
5 M. B. Webb, Surf. Sci. 299/300, 454(1994)
6 E. Pehlke and J.Tersoff, Phys. Rev. Lett 67, 465(1991)
7 I. Goldafarb, J. H. Owen, P. T. Harden, D. R. Bowler, K.M. Miki, G. A. D. Briggs,
Surf. Sci. 394, 105(1997)
8 Bert Voigtländer and Marthin Kästner, Phys. Rev. B 60, R5121(1999)
9 Y, -W. Mo, D. E. Savage, B. S. Swartzentruber, and M.G. Lagally, Phys. Rev. Lett 65,
1020(1990)
10 G. Medeiros-Ribeiro, A. M. Bratkovsky, T. I. Kamins, D. A. A. Ohlberg, R. S.
Williams, Science 279, 353(1998).
11 M. Zinke-Allmang, L. C. Feldman, M. Grabow, Phys. Rev. B 39, 7848(1989).
12 F. M. Ross, J. Tersoff, and R. M. Tromp, Phys. Rev. Lett. 80, 984(1998)
13 B. S. Swartzentruber, Y,-W. Mo, M. B. Webb, and M.G. Lagally, J. Vac. Sci.
Technol. A7(4), 2901(1989)
14 H. Sunamura et al., Appl. Phys. Lett. 66, 3024(1995)
15 P. W. Deelman et al., Appl. Surf. Sci. 104/105, 510(1996)
16 K. M. Chen et al., Phys. Rev. B 56, R1700(1997)
17 J. A. Floro et al., J. Electron. Mater. 26, 969(1997).
18 F. M. Ross, R. M. Tromp, M. C. Reuter Sci. 286, 1931(1999)
19 Y. —W. Mo, D. E. Savage, B. S. Swartzentruber, and M.G. Lagally, Phys. Rev. Lett.
65, 1020(1990)
20 G. Medeiros-Ribeiro, A. M. Bratkovsky, T. I. Kamins, D. A. A. Ohlberg, R. S.
Williams, Science 279, 353(1998).
21 A. Rastelli, M. Kummer, and H. von Kanel, Phys. Rev. Lett. 87,256101-1
22 T. I. Kamins et al., J. Appl. Phys. 81, 211(1997)
23 F. M. Ross, J. Tersoff, and R. M. Tromp, Phys. Rev. Lett. 80, 984(1998)
24 I.Daruka, J. Tersoff, and A. —L. Baraasi, Phys. Rev. Lett. 82, 2753(1999)
25 Physics of Crystal Growth author: Alberto Pilmpinelli and Jacpues Villain
publisher: CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS P230~246
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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