薄膜生长第04章.ppt

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1、薄膜与表面物理第四章再构表面和吸附表面第四章再构表面和吸附表面表面的出现破坏了晶体的三维平移对称性，因此它本身就是一种晶体缺陷。表面的出现伴随着大量悬键的出现。为了降低表面能，表面上原子会改变其组态力图使表面能有所降低。发生弛豫和再构。第四章再构表面和吸附表面表面的几层原子之间的距离发生变化以降低表面能的现象叫表面弛豫现象。表面原子重新成键、从而改变表面的平移对称性，形成再构表面的现象叫表面再构。第四章再构表面和吸附表面表面吸附一些原子后也有利于表面能的降低，表面吸附一些原子后表面的周期性也会发生变化，形成吸附表面。所以表面出现破坏了晶体的三维对称性后会发生三种现象

2、：表面弛豫、表面再构和表面吸附。4.1再构表面和吸附表面的标记4.1.1三个概念理想表面：几何面切开后表面。清洁表面：在超高真空(UHV)系统中经过离子轰击后杂质含量小于10－3的晶体表面，一般已发生再构。吸附表面：表面上吸附了其他元素的表面。这些元素一般是外界沉积到表面上的，但也可以是晶体内杂质或合金元素向表面偏析的结果。4.1.2表面周期性表示法1.理想表面m’a’+n’b’a’和b’分别为表面元胞基矢(矢量)，m’和n’是整数。2.实际表面实际的再构表面和吸附表面的二维周期性会发生变化，其周期性可表示为：ma+nb4.1.2表面周期性表示法a和b分别为表面元胞

3、基矢，m和n是整数。有两种情况：1)a、b可以和a’、b’平行，且有以下关系：a=pa’,b=qb’这里p和q是整数。此时晶体实际的再构表面结构可表示为：4.1.2表面周期性表示法E(hkl)－(p×q)E是元素符号，(hkl)是晶体按几何面切开的晶面。例如：Si(111)－(7×7)表示Si的(111)面，经过再构后形成的元胞，是Si(111)理想表面元胞的(7×7)倍。4.1.2表面周期性表示法2)实际再构表面和吸附表面的基矢a、b还可以和a’、b’不平行并有如下关系：a=p1a’+q1b’，b=p2a’+q2b’这里p1、q1、p2和q2是整数。4.1.2表面

4、周期性表示法如果a相对a’，b相对b’的转角相同，则再构表面和吸附表面结构E可表示为：E(hkl)－(a/a’×b/b’)－θ－A这里a、a’、b、b’是各基矢长度，θ是转角，A是吸附元素。例如P.66。4.2半导体再构表面结构4.2.1Si(111)Si(111)面是Si单晶的自然解理面，所以在UHV下劈裂Si即可得到，这就为研究Si表面提供了一个合适晶面。60年代初，已开始用LEED(低能电子衍射)研究它。由于实验条件不尽相同，所以多年来发表了各种各样不同的结果。4.2.1Si(111)许多工作涉及Si(111)－(7×7)原子结构，它的原胞大小是没有再构时的4

5、9倍，这样复杂的大原胞结构，用LEED谱处理是很困难的。但正是因为这复杂的大原胞，所以也吸引了许多人去想方设法地研究，并取得了很大进展和成功。4.2.1.1Si(111)－(1×1)与(2×1)在很低温度(T<20K)UHV下解理Si单晶，可以得到Si(111)－(1×1)结构。若把Si(111)－(7×7)在高温(≈1200℃)下淬火或用短脉冲激光退火(LA)也可以得到Si(111)－(1×1)结构。4.2.1.1Si(111)－(1×1)与(2×1)在室温UHV下解理Si单晶可以得到Si(111)－(2×1)再构。这种再构是亚稳定的。在大于400℃下退火，不可逆

6、转地转变为(7×7)再构。而(7×7)再构是稳定的。4.2.1.1Si(111)－(1×1)与(2×1)关于Si(111)－(2×1)再构，Haneman在1961年提出了一个翘曲模型。这个模型在长达20年之久广泛地为大家所接受，因此人们曾认为Si(111)－(2×1)的结构模型已被很好解决了。但进一步的研究发现，以这个模型算出的电子表面能带结构与光电子谱实验的结果不符合，如图6.2.3所示。4.2.1Si(111)4.2.1.1Si(111)－(1×1)与(2×1)Pandey根据以上事实，提出一个“π键链重构”模型(图6.2.2)。这模型最顶上的两层原子(用圆圈

7、表示，圆的大小表示原子的高低)排成曲折的链状，虚线表示表面原胞。从图6.2.2(B)，可以更清楚地看见这个模型原子间的键合状况。4.2.1Si(111)4.2.1.1Si(111)－(1×1)与(2×1)图6.2.2(B)：A硅原子从第二层向第一层上升。B硅原子的电子向A硅原子转移，使悬键完全被占满。另一方面，B原子的悬键则变为空态。表面是半导体性的。在A原子的悬键形成价带，其能级在Fermi能级(EF)之下。在B原子的悬键形成导带，其能级在EF之上。导带与价带间具有0.5eV的能隙。4.2.1.1Si(111)－(1×1)与(2×1)4.2.1.1Si(111