溅射pbebaf241薄膜微结构和光学特性

溅射pbebaf241薄膜微结构和光学特性

0制备pbte拉格纳米线近年来，以ptle为代表的iv-vi族窄带间距非政府材料引起了人们的广泛关注，并成为中红外波（3.30m）、中等温度范围（300900k）热电器的理想材料。由于其明显的剂量限制效应，ptle低维纳米结构已成为研究pdte材料的一个重要方向之一。它的纳米结构可以通过多种方法制备和形成。fardy等人用化学气相传输方法（rct）制备了ptle纳米线。rodrigeez等人用飞秒激光燃烧法（la）制备了ptle的质量点。结果表明，在p450个衬底（ito）和硅衬底（ito）下，ptle纳米膜的分子横截面生长的特点是用膜与衬底之间的应力来诱导生长的有序子带结构。目前，很少有研究利用磁控噪声法制备iv-vi家族低维纳米结构。任伟等人和jdanov等人研究了透明导电膜（ito）和硅衬底ptle纳米膜的光束生长。结果表明，ptle纳米膜是沿1000的晶体方向生长的。hyeson等人发现，pbse是沿1000的方向选择生长的，并形成了具有分支纳米颗粒结构和显著体积效应的柱状纳米线结构。在磁控辐射生长过程中，iv-vi族材料可以形成不同特性的低维结构。目前，还没有报道ptle可以形成不同性质的低维结构。目前，还没有报道ptle具有良好的网格对应关系，并且主要基于pf2（111）的单丝衬底生长着ptle膜。ptle薄膜采用原子力显微镜（afm）、x射线衍射（xrd）和福建瑞叶红外透射谱（tir），具有各种微结构和光学性能。1薄膜物理性能本实验采用的PbTe靶是商业用靶,尺寸为60mm×3mm,纯度为99.999%,Pb和Te化学配比为1∶1.实验采用BaF2单晶材料作衬底,并用新解离的(111)面做生长面.溅射生长前,本底真空维持在5×10-4Pa,衬底在100℃除气10min.溅射时通入99.999%的Ar气,并使Ar气压稳定在2.4Pa,采用直流溅射,溅射功率为14W,溅射速率20nm/s.衬底温度通过热电偶在样品表面测量标定,溅射生长时温度为200℃,溅射结束后样品在300℃原位真空退火10min.PbTe薄膜厚度通过TENCOR台阶仪测量,薄膜表面形貌通过NT-MDT原子力显微镜在轻巧模式下进行表征和分析.采用Y-2000型X射线衍射仪测定PbTe薄膜的晶体结构和晶体质量.红外透射光谱采用NicoletNexus670型傅里叶变换红外光谱仪,光谱范围在400～4000cm-1.2岛屿的高度分布图1给出了溅射PbTe/BaF2(111)薄膜的XRD图.从图1可以看出,主要衍射峰2θ分别位于23.7°,24.8°,27.5°,48.7°和50.8°,分别对应于PbTe(111),BaF2(111),PbTe(200),PbTe(222)和BaF2(222)晶面.衍射结果表明,生长的PbTe薄膜为立方相晶体结构,无其他第2相生成,薄膜生长过程中也没有形成Pb,TeO2,PbO等杂质峰.从图1中可以看到,PbTe(111)和PbTe(222)峰的强度比PbTe(200)强许多,表明在BaF2衬底上PbTe溅射成核和生长沿衬底<111>晶向择优生长,这与两者之间的晶格常数接近(aPbTe=0.642nm,aBaF2=0.62nm),且与晶格失配较小有关,也使得薄膜的择优生长取向与其他衬底上的<200>择优生长取向不同.测量PbTe薄膜(111)峰的半高宽(FWHM)为0.15°,表明在200℃生长、300℃原位真空退火条件下溅射生长的PbTe/BaF2(111)薄膜具有较好的晶体质量.图2(a)和(b)分别为溅射PbTe/BaF2薄膜的AFM表面形貌图.从图2中可以看到,薄膜表面形貌主要由规则的金字塔型(Pyramidal)岛及由此在相邻岛之间形成的三角坑构成.图2(c)为典型岛和坑(图2(a)中划线区域)的高度侧面分布图.从图2中可以看到,岛的高度约为80nm,且相邻岛的高度基本保持在这一范围.统计图2(a)中所有岛的高度分布可以看到,高度为80nm的岛占多数,如图2(d)所示.由此可见,金字塔型(Pyramidal)岛具有相对固定的高度分布.同时,从图2(a)中可以看到,金字塔的岛由A、B两类构成,A类大岛的底边约为160nm,高宽比(aspectratio)为1∶2;B类岛的底边约为80nm,高宽比为1∶1.由此推测表面形貌的演化过程是生长过程中B类岛不断粘连形成A类岛.这种显著的表面形貌特征在用分子束外延(MBE)生长的外延PbTe/BaF2(111)薄膜过程中也曾观察到,如文献发现改变外延生长条件如Rf(Te和PbTe速流比)和衬底温度,可以生长出金字塔型岛和三角坑的形貌特征,同时减小Rf以及提高生长温度可以改变金字塔型岛和三角坑的尺寸和密度.与文献的生长条件不同,磁控溅射生长过程中没有相应的Te源,其Te和PbTe速流比为0;同时,衬底经过溅射粒子轰击后其生长温度明显升高,加上薄膜原位300℃退火等条件,使得溅射生长更容易形成高密度、小尺寸的金字塔型岛和三角坑.这一结果也表明这些形貌特征与生长过程中Pb/Te生长比例变化导致薄膜生长过程中位错的形成、运动及应力释放有关.PbTe薄膜生长过程中主要的位错滑移体系是<110>{100}体系,其位错柏格矢量⇀bb⇀为(1/2)<110>,位错的最易滑移面在(100)面.由于位错线的应力场在生长过程中影响沉积PbTe原子的迁移,使得在位错密集区PbTe原子沉积变慢,生长速率变小.因而沿(100)面随着位错的运动,沉积速率逐渐变化形成金字塔的斜面.而柏格矢量⇀bb⇀在(111)面上是3度对称的,因而金字塔型岛的3个斜面与滑移面(100)面对应,并在相应的方向形成三角坑.这也可以解释XRD(200)衍射峰的存在.如果考虑原子力针尖自身10nm左右的半径,其在横向尺寸的测量过程中存在卷积效应,因而B类岛的边长应小于80nm,一般约为50～60nm.这一尺寸与XRD结果中(111)峰根据德拜-谢乐公式计算的晶粒大小57nm接近.可见,形貌图中的纳米结构与晶粒尺寸很好地对应,与溅射过程中PbTe位错运动有关.为此,通过优化PbTe溅射生长条件,调节薄膜生长过程中的位错密度,可以实现PbTe低维纳米结构的可控生长.为了给出BaF2衬底上溅射PbTe薄膜的光学吸收带隙,测量了室温下PbTe薄膜的红外透射谱,如图3所示.从图3中可以看到,透射谱中存在显著的干涉峰,且当波长减少到一定的数值时透射率显著下降,出现陡峭的吸收边.这种由于BaF2和PbTe折射率差别大而在界面处形成的干涉峰使得吸收边受到干涉峰的调制,因而给吸收带隙的确定带来一定的困难,我们无法直接从图中精确给出薄膜的吸收带隙.为此,通过透射谱理论拟合来准确测量薄膜的光学吸收带隙,具体理论模型如下:当光子垂直入射到PbTe薄膜样品时,设薄膜的厚度为d,复折射率˜n=n-ik(nn˜=n−ik(n为折射率,k为消光系数).一般BaF2衬底的厚度远大于PbTe薄膜厚度,假设BaF2的折射率为s,空气折射率n0=1.考虑光在薄膜、衬底、空气界面上多次反射,在光谱的整个区域都满足k2≤n2条件下,其透射率T表示为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为吸收系数.当cosφ=1时,对应于透射率极大值TM;当cosφ=-1时,对应于透射率极小值Tm.由实验数据可以得到TM和Tm关于波长λ的函数.BaF2折射率s随波长λ的色散关系可由三阶Sellmeier公式给出s=√1+0.64335λ2λ2-(0.057789)2+0.506762λ2λ2-(0.010968)2+3.8261λ2λ2-(146.3864)2.(2)依据式(1),在光谱透明区(α=0)、弱吸收区(α≠0,x<1),由实验测量得到的透射率数值,可以计算出不同波长数值时的PbTe折射率,具体如图4所示.在此基础上,根据折射率的Cauchy色散关系,n(λ)=An+Bnλ2+Cnλ4,(An=3.9547,Bn=-1.9784,Cn=105.3783),理论拟合得到透射谱波长测量范围内PbTe薄膜折射率随波长变化的色散关系如图4虚线所示.从测量结果可以看出,PbTe薄膜折射率n随波长变大而减少,在λ>6μm波段,折射率基本保持不变.在光子能量hν>Eg的强吸收区,吸收系数α可表示为α(E)=αd(E-Eg)1/2,根据上述得到的折射率色散关系,将强吸收区薄膜折射率代入式(1),拟合得到强吸收区透射率的大小,通过对比实验数值和理论拟合结果,可以得到光学吸收带隙Eg=0.351eV,拟合结果如图3所示.这一结果比体材料的PbTe室温带隙宽度0.32eV大.与文献中用分子束外延生长的高质量单晶、表面平整的PbTe薄膜相比,溅射PbTe薄膜晶体结构为多晶取向,且晶粒尺寸较小,同时薄膜中形成纳米尺度的规则结构,使得溅射薄膜的吸收带隙出现相应的蓝移.由于PbTe激子波尔半径大,PbTe纳米晶只要小于152nm就可以出现量子约束效应,因而实验测量得到的溅射PbTe薄膜吸收带隙蓝移与此有关.这种吸收带隙蓝移的现象在溅射生