薄膜生长第04章.ppt
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薄膜与表面物理薄膜与表面物理 第四章第四章 再构表面和吸附表面再构表面和吸附表面 第四章第四章 再构表面和吸附表面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 第四章第四章 再构表面和吸附表面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 第四章第四章 再构表面和吸附表面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：表面 弛豫、表面再构和表面吸附 4.1 4.1 再构表面和吸附表面的标记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 4.1.2 表面周期性表示法表面周期性表示法 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+nb 4.1.2 4.1.2 表面周期性表示法表面周期性表示法 a和b分别为表面元胞基矢，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 4.1.2 表面周期性表示法表面周期性表示法 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)－ (77)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 (77) 倍 4.1.2 4.1.2 表面周期性表示法表面周期性表示法 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 4.1.2 表面周期性表示法表面周期性表示法 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 4.2 半导体再构表面结构半导体再构表面结构 4.2.1 Si(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。
4.2.1 Si(111)4.2.1 Si(111) 许多工作涉及Si(111)－(77)原 子结构，它的原胞大小是没有再构 时的49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 4.2.1.1 4.2.1.1 Si(111)Si(111)－－(11)(11)与与(21)(21) 在很低温度(T<20 K)UHV下解 理Si单晶，可以得到Si(111)－(11) 结构若把Si(111)－(77)在高温 (≈1200℃)下淬火或用短脉冲激光退 火(LA)也可以得到Si(111)－(11)结 构 4.2.1.1 4.2.1.1 Si(111)Si(111)－－(11)(11)与与(21)(21) 在室温UHV下解理Si单晶可以 得到Si(111)－(21)再构这种再构 是亚稳定的在大于400℃下退火 ，不可逆转地转变为(77)再构而 (77)再构是稳定的 4.2.1.1 4.2.1.1 Si(111)Si(111)－－(11)(11)与与(21)(21) 关于Si(111)－(21)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)－(21)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 4.2.1 Si(111)4.2.1 Si(111) 4.2.1.1 4.2.1.1 Si(111)Si(111)－－(11)(11)与与(21)(21) 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 4.2.1 Si(111)4.2.1 Si(111) 4.2.1.1 4.2.1.1 Si(111)Si(111)－－(11)(11)与与(21)(21) 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0.5 eV的能隙 4.2.1.1 4.2.1.1 Si(111)Si(111)－－(11)(11)与与(21)(21) 4.2.1.1 4.2.1.1 Si(111)Si(111)－－(11)(11)与与(21)(21) 后来的能量计算也证明，翘曲 模型是不稳定态，而“π键链重构” 模型则能量较低这个模型同时可 以说明光电子谱测得的表面能带色 散，能隙大小，表面态的对称性， 以及芯能级的表面位移等 4.2.1.1 4.2.1.1 Si(111)Si(111)－－(11)(11)与与(21)(21) 此外，“π键链模型”预言，当光 的极化平行于链方向或垂直于链方 向，光的反射或吸收呈强烈的各向 异性这种反射和吸收实验都已证 实了这个预言 4.2.1.1 4.2.1.1 Si(111)Si(111)－－(11)(11)与与(21)(21) 同时，STM和HREELS(高分辨率电 子能量损失谱,high resolution electron energy loss sepctroscopy) 的实验结果也支 持“π键链模型”。
目前人们普遍舍弃了翘 曲模型，而接受了“π键链模型”关于一 些细节问题，随着深入工作的开展，可 能还有一些修改或说明 4.2.1.2 Si(111)4.2.1.2 Si(111)－－(77)(77) 60年代初，已经用LEED证明存在 Si(111)－(77)但对这个十分大的元胞 再构长时期以来有很多争议首先的一 个问题是Si(111)－(77)是本征结构还是 在实验中玷污的?因为要得到这种再构需 要相当高的温度处理另一个问题是 (77)的再构，如果用LEED的动力学计 算，工作量太大，很难解决 4.2.1.2 Si(111)4.2.1.2 Si(111)－－(77)(77) 经过多年努力，现在已证明Si(111) －(77)再构是一个本征结构，同时也解 决了结构模型问题得到广泛承认的半 导体表面结构不多，Si(111)－(77)是其 中之一此外，利用动力学LEED方法确 定了5个原子层近200个原子的位置，进 一步证实了大家公认的DAS模型(二聚体- 添加原子-层错模型) 4.2.1.2 Si(111)4.2.1.2 Si(111)－－(77)(77) 早期的Si(111)－(77)模型是空位模 型，这些空位周期排列成(77)的衍射图 案。
此模型产生很多悬键，从能量上说 是不利的后来提出增原子(adatom)模 型，减少悬键，但引入了表面应变 Bennet则提出了层错模型，层错概念的 引进，对以后DAS模型有很大帮助 4.2.1.2 Si(111)4.2.1.2 Si(111)－－(77)(77) 在这些工作的基础上， Takayanagi等在透射电子衍射(TED) 的基础上提出了DAS模型 这模型 曾得到X射线衍射，STM等实验的支 持，被大家普遍接受 DAS模型是 一个很复杂的结构(图6.2.6) Si(111)Si(111)－－(77)(77) 4.2.1.2 Si(111)4.2.1.2 Si(111)－－(77)(77) 它由三层原子组成(图6.2.7(a))一个 平行四边形的元胞(77)可以用短对角线 把它分为二个等边三角形区域(亚原胞)(图 6.2.7(b))在一个亚元胞中，原子按正常 方式逐层堆积. 在另一个亚元胞中原子的 堆积方式不同，第二层形成一个层错排列 区域(图6.2.7的阴影区) 4.2.1.2 Si(111)4.2.1.2 Si(111)－－(77)(77) 4.2.1.2 Si(111)4.2.1.2 Si(111)－－(77)(77) 由于缺少最上层原子，在平行四边 形的顶角和边上形成深空位(图6.2.7(b) 的圆圈和椭圆圈)。
在每个亚元胞区域 中，在铺满原子的表面层上有6个添加 原子这12个原子都与下面第一层的6 个原子成键，因而每个增原子都有一个 未饱和的悬键 4.2.1.2 Si(111)4.2.1.2 Si(111)－－(77)(77) 在第一层原子中，除了18个原 子与增原子成键外，还剩下6个未 成键的原子，称作剩原子(rest atoms)(图6.2.6的(a)，(b))，一半剩 原子在有层错的亚元胞中，另一半 在无层错的亚元胞中，它们都具有 悬键 4.2.1.2 Si(111)4.2.1.2 Si(111)－－(77)(77) 第一个亚原胞的边上的第三层原子有9个 二聚体键(图6.2.7(b)双线表示)这是由于第二 层原子偏离正常位置所引起的DAS模型的主 体目前已得到普遍承认，但有一些细节，例如 顶角空位，计算值比实验值稍深一点，这可能 是STM针尖不能探测这小而深的空位所产生的 关于怎样形成这种复杂结构的机制问题，目 前还未见有研究的报导 4.2.2 Si(001)4.2.2 Si(001) 1959年Schlier和Farnsworth就根据 LEED的l/2分数斑点提出了一。
