散射電場(chǎng)對(duì)激光燒蝕制備納米Si晶粒分布和尺寸的影響

王英龍，宗煜，褚立志，鄧澤超，丁學(xué)成

（河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002）

由于納米Si晶薄膜具有明顯的量子發(fā)光效應(yīng)和強(qiáng)室溫可見(jiàn)光發(fā)射特性，使得納米Si薄膜制備及其特性研究受到人們廣泛關(guān)注［1］.PLA 制備納米Si晶薄膜，具備工藝簡(jiǎn)潔、長(zhǎng)膜速率快、襯底沾污小等優(yōu)點(diǎn)［2－4］.納米Si晶粒的尺寸大小對(duì)薄膜的發(fā)光效率和發(fā)光波長(zhǎng)有很大的影響，則平均尺寸可控的納米Si晶粒是檢測(cè)納米Si薄膜質(zhì)量的重要因素之一［5－7］.為了制備高質(zhì)量的納米Si薄膜并增強(qiáng)其實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)尋求制備晶粒均勻分布和平均尺寸可控的納米Si薄膜的方案［8－9］.Muramoto［10］在PLA 的過(guò)程中引入了電場(chǎng)，利用紫外瑞利散射技術(shù)（UV－RS）研究了電場(chǎng)對(duì)燒蝕顆粒輸運(yùn)過(guò)程的影響，得出大部分燒蝕顆粒帶正電的結(jié)論.Srivastava［11］對(duì)燒蝕顆粒的密度與靶軸向夾角的關(guān)系進(jìn)行了研究，得出了燒蝕顆粒的密度隨著靶軸向夾角的增加先增大后減小的規(guī)律，但其沒(méi)有研究散射電場(chǎng)對(duì)燒蝕產(chǎn)物傳輸過(guò)程的影響，且未對(duì)納米Si薄膜上的晶粒的平均尺寸和分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

本文采用了PLA 技術(shù)，距離靶正前方5cm 處水平放置半圓襯底，距離靶3cm 處豎直放一棒狀電極用于加散射電場(chǎng)，在典型10Pa氬氣環(huán)境下制備了納米Si薄膜.對(duì)外加散射電場(chǎng)對(duì)納米Si晶粒分布和平均尺寸的影響進(jìn)行了研究，并利用MATLAB對(duì)燒蝕顆粒在傳輸過(guò)程受到散射電場(chǎng)作用進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為實(shí)驗(yàn)提供了一定的理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置與制備方法

PLA 裝置如圖1所示，由激光器、外加棒狀電極和真空系統(tǒng)等組成.實(shí)驗(yàn)采用XeCl準(zhǔn)分子激光器（脈寬15ns，波長(zhǎng)308nm），激光的能量密度為4J／cm2，脈沖頻率為3Hz.當(dāng)腔體抽至真空后，充入惰性氣體Ar氣，控制腔體內(nèi)壓強(qiáng)為10Pa，用激光燒蝕高阻抗（電阻率為3 000Ω·cm）單晶Si靶.以燒蝕點(diǎn)為圓心，沿靶正前水平方向放置1個(gè)半徑為5cm 的半圓玻璃托，在圖1中所示位置上分別放置單晶Si片或者玻璃襯底以用來(lái)沉積納米Si晶薄膜，沉積時(shí)間為4min和2h.在靶與襯底圓心的水平線(xiàn)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所能滿(mǎn)足的條件下，選擇距離靶3cm 處垂直于半圓襯底放置1個(gè)直徑為3mm 的棒狀電極，并且加80V 的電壓.利用XL30S－FEG 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)單晶Si片上的薄膜進(jìn)行了形貌表征，用MKI－2000型拉曼散射儀日本理學(xué)公司生產(chǎn)的RigakuD／Max型X 線(xiàn)衍射儀對(duì)玻璃襯底上的薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了譜線(xiàn)分析.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic view of PLA

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

對(duì)引入散射電場(chǎng)后各個(gè)角度位置上所制備的納米Si晶粒薄膜進(jìn)行了Raman譜和XRD 譜的測(cè)量，所得結(jié)果如圖2和圖3所示.圖2顯示每個(gè)角度上薄膜的Raman譜峰均偏離了單晶硅峰520cm－1，這表明薄膜中已經(jīng)有納米Si晶粒的形成.通過(guò)峰位的偏移趨勢(shì)得出隨著與靶軸向夾角的增加，納米Si晶粒的平均尺寸大小先增大后減小.圖3所示每條XRD 譜線(xiàn)中均有Si（111）和（220）峰的存在，相對(duì)于單晶Si峰該譜峰發(fā)生了展寬.這均可證明在所制備的納米Si薄膜中已有納米Si晶粒的形成.

圖2 80V條件下不同角度下制備樣品的Raman譜Fig.2 Raman spectrums of the different angles in sample with the voltage of 80V

圖3 80V條件不同角度下制備樣品的XRD譜Fig.3 XRD spectrums of the sample in different angles with the voltage of 80V

圖4和5是在10Pa氬氣環(huán)境下，加電極不加電壓和電極加入80V 電壓下所制備薄膜的SEM 圖.

為了對(duì)所制備的樣品進(jìn)行定量分析，利用photoshop軟件對(duì)圖4和圖5中的納米Si晶粒進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到了納米Si晶粒面密度和平均尺寸與角度的研究.由圖6和7可知，2組實(shí)驗(yàn)的面密度和平均尺寸的分布是關(guān)于軸向?qū)ΨQ(chēng).加棒狀電極之后，在0°到±80°的角度區(qū)間中，納米Si晶粒的面密度和平均尺寸先增大后減小，在±20°處達(dá)到最大值；電極加正電之后，納米Si晶粒的面密度和平均尺寸隨著角度的變化與不加電場(chǎng)的情況規(guī)律一樣，但最大值的位置偏移到±40°位置處.

圖4 不加電壓下所制備樣品的SEM 圖Fig.4 SEM images of the sample without voltage

圖5 加80V電壓下所制備樣品的SEM 圖Fig.5 SEM images of the sample with the voltage of 80V

圖6 不同條件下面密度與角度的關(guān)系Fig.6 Area density of Si nanoparicles under different voltages versus the change of angle

圖7 不同條件下晶粒平均尺寸與角度關(guān)系Fig.7 Average size of Si nanoparicles under different voltages versus the change of angle

燒蝕顆粒自靶面噴出后形成羽輝狀沿靶前各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，大部分最終輸運(yùn)到襯底.納米Si晶粒是由燒蝕產(chǎn)物中各種顆粒（原子、電子、離子、大顆粒）和Ar氣分子之間相互碰撞所形成，晶粒形成的內(nèi)聚能是由各種粒子之間碰撞所損失的動(dòng)能提供的［12］.燒蝕顆粒的輸運(yùn)速率與其速度方向有關(guān)，燒蝕顆粒的速度越大，與Ar分子發(fā)生碰撞時(shí)損失的動(dòng)能越大，所形成的納米Si晶粒的尺寸也就越大；由于燒蝕顆粒的速度滿(mǎn)足麥克斯韋速度分布，則靶軸向夾角的增大時(shí)，燒蝕顆粒的速度減小，所形成的Si晶粒的尺寸也隨之減小，這與不加棒狀電極時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相符的.當(dāng)加電極之后，由于電極直徑為3mm，其阻擋和彈開(kāi)了一部分傳輸?shù)牧Ｗ樱瑢?dǎo)致納米Si晶粒面密度的最大值向兩邊移動(dòng).

未加電場(chǎng)時(shí)，納米Si晶粒的平均尺寸在±20°時(shí)達(dá)到最大值，這是因?yàn)榘魻铍姌O的存在，使得一些向著軸向傳播的燒蝕顆粒彈射出去，假設(shè)單位體積的納米Si晶粒所需要的內(nèi)聚能不變，單位體積內(nèi)的粒子減少，損失的能量也減小，則內(nèi)聚能也減小，所以在0°時(shí)形成的納米Si晶粒的平均尺寸減小了.而由于散射的粒子集中在±20°，致使此處粒子的密度增大，損失的能量增大，晶粒的平均尺寸也隨之增大.加電場(chǎng)之后，由大部分帶正電的粒子組成的燒蝕顆粒進(jìn)入散射電場(chǎng)，受到了電場(chǎng)的作用向兩側(cè)移動(dòng)，基于相同的原理，納米Si晶粒的平均尺寸在±40°時(shí)達(dá)到最大值.

可以看出，不加電時(shí)候，在靶正前方水平位置所形成的納米Si晶粒大部分落在0°，±20°的位置上.而加電之后，在靶正前方水平位置所形成的納米Si晶粒分布和平均尺寸最大值位置明顯沿軸向外偏轉(zhuǎn).也就是說(shuō)，加電場(chǎng)以后可以擴(kuò)大晶粒位置的分布，改變了在不同位置上的晶粒平均尺寸.

3 數(shù)值模擬與分析

為了優(yōu)化和控制硅納米晶粒的合成進(jìn)程，進(jìn)一步深究散射電場(chǎng)對(duì)燒蝕顆粒在傳輸過(guò)程中的影響.初始假定了羽輝中的硅納米晶粒符合標(biāo)準(zhǔn)正太分布，通過(guò)改變模擬過(guò)程中的初始參數(shù)（粒子個(gè)數(shù)、初始速度、粒子帶電量、電場(chǎng)強(qiáng)度），來(lái)觀察激光燒蝕硅產(chǎn)生的羽輝經(jīng)過(guò)散射電場(chǎng)后在襯底上的偏角分布.

帶電納米硅晶粒在一定的初始位置和初始速度下經(jīng)過(guò)均勻帶電棒，且納米硅晶粒的分布符合正態(tài)布

利用庫(kù)侖定律

利用點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度公式

計(jì)算帶電棒上每個(gè)電荷在空間一點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)力在各軸上的分量

將所有電荷激發(fā)的電場(chǎng)力疊加，可得到帶電棒在空間任一點(diǎn)產(chǎn)生的各軸向上的電場(chǎng)力合力.以時(shí)間t為參量，將空間分為間隔為t的平行空間，平行面與襯底平行，且假設(shè)在這個(gè)平行空間內(nèi)納米硅晶粒的運(yùn)動(dòng)為在各軸向上的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓定律F＝ma 和位移公式得到一段位移Δs，Δs為和位移，然后累加各個(gè)平行空間內(nèi)的Δs最后得到晶粒打在接收屏上的位置，進(jìn)而求出偏角.但t的大小將直接影響結(jié)果的精度.圖8是進(jìn)行模擬的典型結(jié)果，可看出，沒(méi)有電場(chǎng)影響時(shí)，大部分粒子分布在0°左右；加入電場(chǎng)后，粒子的分布沿軸向方向向兩邊分散，并且在±10°時(shí)分布最多.

在模擬過(guò)程中，并不考慮電極具有實(shí)際直徑，圖8符合無(wú)外加電場(chǎng)下粒子的角度分布，圖9清楚地表現(xiàn)出加入散射電場(chǎng)與不加電場(chǎng)的區(qū)別，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律大致相同，從而為實(shí)驗(yàn)提供了一定的理論支持.

4 結(jié)論

采用了PLA 技術(shù)，在10Pa的Ar環(huán)境氣體下，制備了納米Si薄膜.利用SEM，XRD 和Raman技術(shù)對(duì)所制備的樣品的形貌和晶態(tài)成分性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的表征.對(duì)不加電壓和加電壓下的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)加電壓后在水平方向上納米Si晶粒的分布范圍變大，并在－40°～40°之間每個(gè)角度上的晶粒尺寸大小分布范圍變窄，也就是該角度上晶粒尺寸變得均勻.利用MATLAB進(jìn)行模擬出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致.提出來(lái)一種新的方法，為制備均勻可控的納米Si晶粒提供了重要的依據(jù).

圖8 不加散射電場(chǎng)下的粒子角度分布Fig.8 Particles distribution of Angle without scattering electric field

圖9 引入散射電場(chǎng)下的粒子角度分布Fig.9 Particles distribution of Angle with scattering electric field

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