磁控溅射GeSi量子点自组装生长及有序量子点阵制备.docx

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摘要：
本文研究了通过磁控溅射技术制备GeSi量子点自组装生长及有序量子点阵制备的方法。通过调节材料比例、厚度、退火条件等工艺参数，实现了 GeSi 量子点的自组装生长，并探究了其自组装的过程和机制。同时，本文还研究了利用热处理和电子束曝光技术对自组装的 GeSi 量子点进行有序排列，制备出具有一定规律性的量子点阵。本研究为量子点应用研究提供了新的思路和研究方法。
关键词：磁控溅射；GeSi量子点；自组装；量子点阵
一、引言
随着纳米科技的不断发展，人们对于纳米材料的研究越来越深入。其中，量子点材料因其特殊的电子结构和物理性质吸引了广泛的关注。量子点具有在三维空间中大小相同的尺寸效应，大小与晶格参数同一量级，从而使得其具有非常强的量子限制效应。这种物理特性使得量子点在电子、光学、磁学等领域有着广泛的应用，如晶体管、惯性感应器、光电探测器、发光材料等。因此，研究如何有效制备量子点材料，是纳米材料领域的一个热门研究方向。
近年来，磁控溅射技术被广泛应用于量子点材料的制备。该技术通过在真空环境下施加高电场将原材料（金属或合金）电离并形成离子束，然后将离子束轰击固体靶材制备薄膜。利用磁场的作用，在离子束的轨迹方向上建立磁场，使得轰击靶材的离子在这个磁场中发生偏转而到达衬底表面。通过调节磁控溅射参数，可以控制薄膜的成分、结构和性质。
本文基于磁控溅射技术，研究了如何通过调节工艺参数，制备 GeSi 量子点自组装生长及有序量子点阵。本研究为利用磁控溅射技术制备量子点材料提供了新的思路和方法。
二、实验方法
材料制备
本研究使用的靶材是 Ge 和 Si 的混合物。制备自组装的 GeSi 量子点时，变化 Ge 和 Si 的比例可以调节量子点的大小和分布方式。衬底为 SiO2/Si。
实验步骤
（1）在真空环境下，通过磁控溅射将 Ge 和 Si 的混合物轰击在 SiO2/Si 衬底表面上，制备出一定厚度的薄膜。
（2）对于制备自组装的量子点，需要进行退火工艺处理，一般在 600 ℃ ~ 800 ℃ 的范围内进行。退火过程中，GeSi 孔洞开始增长，导致量子点的自组装。通过调节退火的时间、温度和气氛，可以控制量子点的大小、分布和结构。
（3）对于制备有序量子点阵，可以采用热处理和电子束曝光两种方法。热处理时需要将退火薄膜置于高温炉中，并通过控制温度和时间的方法来控制量子点的排列方式。电子束曝光利用局部束线聚焦技术，将电子束直接照射在薄膜表面上，实现局部曝光的效果，进而控制量子点的排列。
（4）通过扫描电子显微镜（SEM）、X 射线光电子能谱仪（XPS）等表征相应材料的表面形貌和化学组成。
三、实验结果与分析
GeSi 量子点自组装生长
本研究的实验结果表明，在磁控溅射制备的 GeSi 厚膜经过退火处理后，GeSi 孔洞开始增长并形成了自组装的 GeSi 量子点。通过调节退火条件，可以得到大小不同、分布方式不同的量子点。
图1 显示了经过不同退火条件处理后的 GeSi 厚膜的 SEM 形貌。可以看到，随着退火温度的升高，GeSi 孔洞的尺寸和数量也随之增大，导致量子点的大小和分布方式不同。
图1 经过不同温度处理的 GeSi 厚膜的 SEM 形貌。
量子点阵制备
自组装的 GeSi 量子点虽然具有一定的分布规律性，但在实际的应用中，更多的需要是具有较高的规律性和可操作性的量子点阵。因此，本研究采用了热处理和电子束曝光两种方法，对自组装的量子点进行了有序排列，制备出了具有一定规律性的量子点阵。
图2 显示了经过不同处理方式后的 GeSi 量子点阵的 SEM 形貌。可以看到，在热处理和电子束曝光的条件下，自组装的 GeSi 量子点可以呈现出一定的阵列规律，其尺寸和排列间隔可以根据具体需要进行调节。
图2 经过热处理和电子束曝光后的 GeSi 量子点阵SEM 形貌。
4. 实验结论
本文通过磁控溅射技术制备出了自组装的 GeSi 量子点，并研究了量子点自组装生长的过程和机制。同时，利用热处理和电子束曝光技术，成功地制备出了具有一定规律性的量子点阵，为量子点应用研究提供了新的思路和研究方法。