濺射pbebaf241薄膜微結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性

濺射pbebaf241薄膜微結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性

0制備pbte拉格納米線近年來，以ptle為代表的iv-vi族窄帶間距非政府材料引起了人們的廣泛關(guān)注，并成為中紅外波（3.30m）、中等溫度范圍（300900k）熱電器的理想材料。由于其明顯的劑量限制效應(yīng)，ptle低維納米結(jié)構(gòu)已成為研究pdte材料的一個(gè)重要方向之一。它的納米結(jié)構(gòu)可以通過多種方法制備和形成。fardy等人用化學(xué)氣相傳輸方法（rct）制備了ptle納米線。rodrigeez等人用飛秒激光燃燒法（la）制備了ptle的質(zhì)量點(diǎn)。結(jié)果表明，在p450個(gè)襯底（ito）和硅襯底（ito）下，ptle納米膜的分子橫截面生長(zhǎng)的特點(diǎn)是用膜與襯底之間的應(yīng)力來誘導(dǎo)生長(zhǎng)的有序子帶結(jié)構(gòu)。目前，很少有研究利用磁控噪聲法制備iv-vi家族低維納米結(jié)構(gòu)。任偉等人和jdanov等人研究了透明導(dǎo)電膜（ito）和硅襯底ptle納米膜的光束生長(zhǎng)。結(jié)果表明，ptle納米膜是沿1000的晶體方向生長(zhǎng)的。hyeson等人發(fā)現(xiàn)，pbse是沿1000的方向選擇生長(zhǎng)的，并形成了具有分支納米顆粒結(jié)構(gòu)和顯著體積效應(yīng)的柱狀納米線結(jié)構(gòu)。在磁控輻射生長(zhǎng)過程中，iv-vi族材料可以形成不同特性的低維結(jié)構(gòu)。目前，還沒有報(bào)道ptle可以形成不同性質(zhì)的低維結(jié)構(gòu)。目前，還沒有報(bào)道ptle具有良好的網(wǎng)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且主要基于pf2（111）的單絲襯底生長(zhǎng)著ptle膜。ptle薄膜采用原子力顯微鏡（afm）、x射線衍射（xrd）和福建瑞葉紅外透射譜（tir），具有各種微結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能。1薄膜物理性能本實(shí)驗(yàn)采用的PbTe靶是商業(yè)用靶,尺寸為60mm×3mm,純度為99.999%,Pb和Te化學(xué)配比為1∶1.實(shí)驗(yàn)采用BaF2單晶材料作襯底,并用新解離的(111)面做生長(zhǎng)面.濺射生長(zhǎng)前,本底真空維持在5×10-4Pa,襯底在100℃除氣10min.濺射時(shí)通入99.999%的Ar氣,并使Ar氣壓穩(wěn)定在2.4Pa,采用直流濺射,濺射功率為14W,濺射速率20nm/s.襯底溫度通過熱電偶在樣品表面測(cè)量標(biāo)定,濺射生長(zhǎng)時(shí)溫度為200℃,濺射結(jié)束后樣品在300℃原位真空退火10min.PbTe薄膜厚度通過TENCOR臺(tái)階儀測(cè)量,薄膜表面形貌通過NT-MDT原子力顯微鏡在輕巧模式下進(jìn)行表征和分析.采用Y-2000型X射線衍射儀測(cè)定PbTe薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和晶體質(zhì)量.紅外透射光譜采用NicoletNexus670型傅里葉變換紅外光譜儀,光譜范圍在400～4000cm-1.2島嶼的高度分布圖1給出了濺射PbTe/BaF2(111)薄膜的XRD圖.從圖1可以看出,主要衍射峰2θ分別位于23.7°,24.8°,27.5°,48.7°和50.8°,分別對(duì)應(yīng)于PbTe(111),BaF2(111),PbTe(200),PbTe(222)和BaF2(222)晶面.衍射結(jié)果表明,生長(zhǎng)的PbTe薄膜為立方相晶體結(jié)構(gòu),無其他第2相生成,薄膜生長(zhǎng)過程中也沒有形成Pb,TeO2,PbO等雜質(zhì)峰.從圖1中可以看到,PbTe(111)和PbTe(222)峰的強(qiáng)度比PbTe(200)強(qiáng)許多,表明在BaF2襯底上PbTe濺射成核和生長(zhǎng)沿襯底<111>晶向擇優(yōu)生長(zhǎng),這與兩者之間的晶格常數(shù)接近(aPbTe=0.642nm,aBaF2=0.62nm),且與晶格失配較小有關(guān),也使得薄膜的擇優(yōu)生長(zhǎng)取向與其他襯底上的<200>擇優(yōu)生長(zhǎng)取向不同.測(cè)量PbTe薄膜(111)峰的半高寬(FWHM)為0.15°,表明在200℃生長(zhǎng)、300℃原位真空退火條件下濺射生長(zhǎng)的PbTe/BaF2(111)薄膜具有較好的晶體質(zhì)量.圖2(a)和(b)分別為濺射PbTe/BaF2薄膜的AFM表面形貌圖.從圖2中可以看到,薄膜表面形貌主要由規(guī)則的金字塔型(Pyramidal)島及由此在相鄰島之間形成的三角坑構(gòu)成.圖2(c)為典型島和坑(圖2(a)中劃線區(qū)域)的高度側(cè)面分布圖.從圖2中可以看到,島的高度約為80nm,且相鄰島的高度基本保持在這一范圍.統(tǒng)計(jì)圖2(a)中所有島的高度分布可以看到,高度為80nm的島占多數(shù),如圖2(d)所示.由此可見,金字塔型(Pyramidal)島具有相對(duì)固定的高度分布.同時(shí),從圖2(a)中可以看到,金字塔的島由A、B兩類構(gòu)成,A類大島的底邊約為160nm,高寬比(aspectratio)為1∶2;B類島的底邊約為80nm,高寬比為1∶1.由此推測(cè)表面形貌的演化過程是生長(zhǎng)過程中B類島不斷粘連形成A類島.這種顯著的表面形貌特征在用分子束外延(MBE)生長(zhǎng)的外延PbTe/BaF2(111)薄膜過程中也曾觀察到,如文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)改變外延生長(zhǎng)條件如Rf(Te和PbTe速流比)和襯底溫度,可以生長(zhǎng)出金字塔型島和三角坑的形貌特征,同時(shí)減小Rf以及提高生長(zhǎng)溫度可以改變金字塔型島和三角坑的尺寸和密度.與文獻(xiàn)的生長(zhǎng)條件不同,磁控濺射生長(zhǎng)過程中沒有相應(yīng)的Te源,其Te和PbTe速流比為0;同時(shí),襯底經(jīng)過濺射粒子轟擊后其生長(zhǎng)溫度明顯升高,加上薄膜原位300℃退火等條件,使得濺射生長(zhǎng)更容易形成高密度、小尺寸的金字塔型島和三角坑.這一結(jié)果也表明這些形貌特征與生長(zhǎng)過程中Pb/Te生長(zhǎng)比例變化導(dǎo)致薄膜生長(zhǎng)過程中位錯(cuò)的形成、運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力釋放有關(guān).PbTe薄膜生長(zhǎng)過程中主要的位錯(cuò)滑移體系是<110>{100}體系,其位錯(cuò)柏格矢量?bb?為(1/2)<110>,位錯(cuò)的最易滑移面在(100)面.由于位錯(cuò)線的應(yīng)力場(chǎng)在生長(zhǎng)過程中影響沉積PbTe原子的遷移,使得在位錯(cuò)密集區(qū)PbTe原子沉積變慢,生長(zhǎng)速率變小.因而沿(100)面隨著位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),沉積速率逐漸變化形成金字塔的斜面.而柏格矢量?bb?在(111)面上是3度對(duì)稱的,因而金字塔型島的3個(gè)斜面與滑移面(100)面對(duì)應(yīng),并在相應(yīng)的方向形成三角坑.這也可以解釋XRD(200)衍射峰的存在.如果考慮原子力針尖自身10nm左右的半徑,其在橫向尺寸的測(cè)量過程中存在卷積效應(yīng),因而B類島的邊長(zhǎng)應(yīng)小于80nm,一般約為50～60nm.這一尺寸與XRD結(jié)果中(111)峰根據(jù)德拜-謝樂公式計(jì)算的晶粒大小57nm接近.可見,形貌圖中的納米結(jié)構(gòu)與晶粒尺寸很好地對(duì)應(yīng),與濺射過程中PbTe位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān).為此,通過優(yōu)化PbTe濺射生長(zhǎng)條件,調(diào)節(jié)薄膜生長(zhǎng)過程中的位錯(cuò)密度,可以實(shí)現(xiàn)PbTe低維納米結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng).為了給出BaF2襯底上濺射PbTe薄膜的光學(xué)吸收帶隙,測(cè)量了室溫下PbTe薄膜的紅外透射譜,如圖3所示.從圖3中可以看到,透射譜中存在顯著的干涉峰,且當(dāng)波長(zhǎng)減少到一定的數(shù)值時(shí)透射率顯著下降,出現(xiàn)陡峭的吸收邊.這種由于BaF2和PbTe折射率差別大而在界面處形成的干涉峰使得吸收邊受到干涉峰的調(diào)制,因而給吸收帶隙的確定帶來一定的困難,我們無法直接從圖中精確給出薄膜的吸收帶隙.為此,通過透射譜理論擬合來準(zhǔn)確測(cè)量薄膜的光學(xué)吸收帶隙,具體理論模型如下:當(dāng)光子垂直入射到PbTe薄膜樣品時(shí),設(shè)薄膜的厚度為d,復(fù)折射率?n=n-ik(nn?=n?ik(n為折射率,k為消光系數(shù)).一般BaF2襯底的厚度遠(yuǎn)大于PbTe薄膜厚度,假設(shè)BaF2的折射率為s,空氣折射率n0=1.考慮光在薄膜、襯底、空氣界面上多次反射,在光譜的整個(gè)區(qū)域都滿足k2≤n2條件下,其透射率T表示為Τ(λ?s,n,d,α)=AxB-Cxcosφ+Dx2.(1)式(1)中:A=16n2s;B=(n+1)3(n+s2);C=2(n2-1)(n2-s2);D=(n-1)3(n-s2);φ=4πnd/λ;x=exp(-αd);α為吸收系數(shù).當(dāng)cosφ=1時(shí),對(duì)應(yīng)于透射率極大值TM;當(dāng)cosφ=-1時(shí),對(duì)應(yīng)于透射率極小值Tm.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到TM和Tm關(guān)于波長(zhǎng)λ的函數(shù).BaF2折射率s隨波長(zhǎng)λ的色散關(guān)系可由三階Sellmeier公式給出s=√1+0.64335λ2λ2-(0.057789)2+0.506762λ2λ2-(0.010968)2+3.8261λ2λ2-(146.3864)2.(2)依據(jù)式(1),在光譜透明區(qū)(α=0)、弱吸收區(qū)(α≠0,x<1),由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的透射率數(shù)值,可以計(jì)算出不同波長(zhǎng)數(shù)值時(shí)的PbTe折射率,具體如圖4所示.在此基礎(chǔ)上,根據(jù)折射率的Cauchy色散關(guān)系,n(λ)=An+Bnλ2+Cnλ4,(An=3.9547,Bn=-1.9784,Cn=105.3783),理論擬合得到透射譜波長(zhǎng)測(cè)量范圍內(nèi)PbTe薄膜折射率隨波長(zhǎng)變化的色散關(guān)系如圖4虛線所示.從測(cè)量結(jié)果可以看出,PbTe薄膜折射率n隨波長(zhǎng)變大而減少,在λ>6μm波段,折射率基本保持不變.在光子能量hν>Eg的強(qiáng)吸收區(qū),吸收系數(shù)α可表示為α(E)=αd(E-Eg)1/2,根據(jù)上述得到的折射率色散關(guān)系,將強(qiáng)吸收區(qū)薄膜折射率代入式(1),擬合得到強(qiáng)吸收區(qū)透射率的大小,通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)值和理論擬合結(jié)果,可以得到光學(xué)吸收帶隙Eg=0.351eV,擬合結(jié)果如圖3所示.這一結(jié)果比體材料的PbTe室溫帶隙寬度0.32eV大.與文獻(xiàn)中用分子束外延生長(zhǎng)的高質(zhì)量單晶、表面平整的PbTe薄膜相比,濺射PbTe薄膜晶體結(jié)構(gòu)為多晶取向,且晶粒尺寸較小,同時(shí)薄膜中形成納米尺度的規(guī)則結(jié)構(gòu),使得濺射薄膜的吸收帶隙出現(xiàn)相應(yīng)的藍(lán)移.由于PbTe激子波爾半徑大,PbTe納米晶只要小于152nm就可以出現(xiàn)量子約束效應(yīng),因而實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的濺射PbTe薄膜吸收帶隙藍(lán)移與此有關(guān).這種吸收帶隙藍(lán)移的現(xiàn)象在濺射生