低维锗外延生长与物性研究

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单层硅(Si)和锗(Ge)结构与石墨烯有相类似的电子性质,这些单层结构称为硅烯和锗烯。硅烯和锗烯都与现代硅基半导体工业相兼容。相较于硅烯,锗烯有更高的载流子迁移率,有望作为性能更为优异的电子材料应用于未来微电子工业。锗烯的可控制备近年来一直是研究的热点。虽然目前在不同衬底上有锗烯制备的报道,然而锗烯的生长机制还远未认识清楚,甚至在某些衬底上锗烯的制备还存在较大争议。尤其需要关注的是,在衬底上制备的锗烯是否还可以保留类似石墨烯的狄拉克材料电子结构。因此研究Ge在不同衬底上的生长,理解Ge的生长机制,探索其结构与电学性质,十分必要。本文采用超高真空分子束外延(MBE)的方法,在Ag(111)和InSe表面进行Ge的外延生长,结合扫描隧道显微镜(STM)和扫描隧道谱(STS)研究了如下内容:(1)研究了Ge在Ag(111)表面上的生长形貌和电子结构。研究表明,在比较低的沉积速率下,Ge在Ag(111)衬底上会形成无规则形状类似分形结构的二维岛。当显著增加沉积速率时发现,无规则的岛会转化为紧致的二维岛,其微分电导谱在费米面附近呈二维狄拉克V型特征。而且发现Ge总是在Ag2Ge表面合金上生长。与此同时,密度泛函理论(DFT)计算表明,只有双层Ag2Ge表面合金上的Ge在费米能级附近具有锗烯的V型狄拉克特征。由此可知,在Ag(111)表面形成的双层Ag2Ge表面合金上成功制备锗烯。(2)研究了Ge在非金属InSe衬底上的生长机制和结构演化规律。STM表征结果显示,Ge在InSe表面沉积后以团簇模式生长。在进行适当的退火处理后,虽然Ge团簇减少,但表面并不平整,沉积后的衬底与缺陷具有高度差,Ge倾向于形成团簇结构,并未成为高质量的薄膜。提高退火温度后,Ge团簇全部消失,在表面形成明暗相间的区域,显示出均匀有序的InSe周期性结构。根据STS实验结果显示,Ge在InSe表面是以团簇的模式生长,退火之后的一部分Ge团簇从缺陷处进行插层生长,一部分聚集在一起形成不规则的团聚物,升高退火温度后,表面出现了凹陷。以上研究结果为相关低维锗结构的可控制备提供了科学依据。
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