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锗纳米团簇的金属诱导合成及其微结构与性能特征

李全宝  
【摘要】:金属/半导体复合薄膜是信息功能材料领域中广泛研究的热点课题,尤其在微电子器件、光电子元件以及太阳能电池等方面具有广阔的应用前景。薄膜技术作为器件微型化的关键技术,是制备各种新型功能薄膜与器件的重要手段。薄膜的制备方法很多,主要包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两大类,如:真空热蒸发方法、分子束外延生长、磁控溅射方法和脉冲激光沉积等是常用的物理气相沉积技术。随着纳米材料的迅速发展,金属诱导非晶半导体锗(Ge)的晶化行为和金属/半导体锗薄膜的纳米结构特征对其在微电子器件和光电子元件上的应用不可忽略。 本论文利用一种简单易行的真空热蒸发技术方法,通过控制双层薄膜的厚度、退火温度和时间,在真空或者氮气氛围下热退火制备出了具有不同形貌特征的锗纳米团簇,这些纳米结构特征包括锗纳米颗粒、纳米环及纳米分形结构。利用Raman、XRD、SEM、TEM、AFM和HRTEM等表征手段对Ge纳米团簇的微观结构进行了分析,并对其电学性能进行了一系列的研究,考察了不同条件下制备的薄膜样品的电学性能与微观结构的关系。 在Au/Ge双层膜体系,实验结果表明:退火温度和分形维数对Au/Ge双层膜分形的晶化行为和薄膜的电阻有着重要的影响。薄膜电阻的测量结果证实了电阻和分形维数之间存在着一定的关系。我们发现了一种拥有非线性电学特性的分形纳米薄膜。另外,Au薄膜的微结构对退火的Au/Ge双层薄膜的特征有着重要的影响。分形体系的出现对退火薄膜的热电势(TEP)有着巨大的影响,但对其电阻率只有一点点影响。在Pd/Ge双层膜体系,实验数据表明:分形纳米团簇的尺寸大小、密度和分形维数受不同退火温度的影响。随着退火温度的增加,分形维数和电阻均不断减小。在Al/Ge双层膜体系,采用热蒸发技术在氮气保护下退火成功制备了Ge纳米分形结构。实验结果进一步证明了非晶Ge在有利形核位置(三叉晶界处)成核生长,在不同的退火温度下,表现出不同的形貌和分维。在400℃退火样品得到的分形结构表现出非常清晰的枝杈和开放式的结构。这些结果表明:金属/半导体锗薄膜对于未来构建设计微纳米器件是一种很有前途的材料。这些纳米结构也被期盼为基础研究和未来应用提供令人振奋的机会。


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