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通知公告 |
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中国科学院物理研究所 |
SF4组供稿 |
第21期 |
2009年11月05日
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北京凝聚态物理国家实验室 |
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| 应力各向异性表面上Ag纳米岛的双稳态研究 |
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在分子束外延生长中，生长材料和衬底之间的晶格失配或者衬底表面的应力各向异性，都会导致外延薄膜和纳米结构发生应变。对于应力参与的外延生长，纳米结构的形貌和应力之间存在着紧密的关系。对这种关系进行研究，不仅可以提取表面热力学参量的信息，还对纳米线和量子点等纳米结构的可控制备具有重要的指导意义。Li, Liu 和 Lagally (LLL) 的理论模型【Phys. Rev. Lett. 85,1922 (2000)】已经成功地解释了很多应力诱导的实验现象。以晶体表面外延岛的形状演化为例，它主要受到台阶自由能以及岛和衬底之间产生的应力的影响。在临界尺度以下，台阶自由能占主导地位，岛的形状会呈现各向同性，而在临界尺度以上，应变能占主导地位，即使应变能和台阶自由能均为各向同性，岛的形状也会自发地变为各向异性。LLL模型预测以及实验观察表明这种演化是一种连续变化的过程。但是之后的Zandvliet 和 van Gastel (ZG) 的理论模型（【Phys. Rev. Lett. 99,136103 (2007)】预言，在特殊情况下外延岛的形状存在着一种不连续的演化过程，在临界尺寸附近，各向同性的岛和各向异性的岛会同时存在。然而这种岛形状的双稳态出现的条件非常苛刻，这一预言也一直缺乏实验证据的支持。
中国科学院物理研究所马旭村研究员带领的研究小组，与清华大学薛其坤、贾金锋、陈曦的研究团队、美国犹他大学的刘锋教授以及西安交通大学徐可为教授合作，从实验和理论上研究了Si(111)-(4×1)-In表面上生长的Ag岛的应力行为。 (4×1)-In是典型的一维模板，在其上生长的纳米结构往往具有明显的各向异性，并具有各向异性的应力。他们利用扫描隧道显微镜观察发现，低温下形成的Ag岛全部形成各向异性的纳米线；而室温下形成的Ag岛的形状的分布则呈现双稳结构，即各向异性纳米线和各向同性的纳米点的共存（见图1）。对Ag岛的形状和尺寸的统计分析表明，双稳结构出现在临界尺寸附近，实验结果和应变岛双稳态的ZG模型符合得很好（见图2和图3）。第一性原理计算表明，Si(111)-(4×1)-In表面上生长的Ag岛确实具有各向异性的应力分布，这证明了ZG模型所提出的各向异性应力是产生外延岛形状双稳态的条件。
该研究首次从实验上证实了ZG模型预言的应变岛双稳态的存在，这为利用应力调控表面纳米结构的自组织生长提供了一种新的手段。相关成果刊登在2009年8月14日的【Phys. Rev. Lett. 103, 076102 (2009)】上。此项工作得到了国家自然科学基金委的资助。
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| 图1：(a)在Si(111)-(4´1)-In表面上低温生长Ag岛的STM图像，只有各向异性岛（纳米线）存在。插图为其高分辨STM图像，显示了Ag纳米线和(4´1)-In 表面的结构。 (b) 在Si(111)-(4´1)-In表面上室温生长Ag岛的STM图像，显示了各向同性Ag岛（纳米点）和各向异性Ag岛同时存在。插图为其高分辨STM图像，其中Ag纳米线的宽度为两个In链的周期（一个In链的横向周期为1.33nm）。所有图像的扫描参数为Vtip = −2.0V ，I = 20pA。 |
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| 图2:（a）低温生长的Ag岛的纵横比r（r=l/w）随Ag岛尺寸D（D=(lw)1/2）变化的关系曲线。参与统计的Ag岛为1852个。图中的三个分支分别对应于三种不同宽度的岛（n=2, 3, 4，即指岛的宽度分别是In链周期的2倍、3倍和4倍）。实线为数据的理论模拟。插图为低温生长的Ag纳米线的高度分布。（b）室温生长的Ag岛的纵横比r（r=l/w）随Ag岛尺寸D（D=(lw)1/2）变化的关系曲线。参与统计的Ag岛为703个。图中一条曲线为Ag纳米点（r=1，红色点），另外两条为Ag纳米线的，对分别应于岛宽n=2和3。实线为数据的理论模拟，插图为Ag纳米点和Ag纳米线的高度分布。 |
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| 图3：生长在Si(111)-(4´1)-In表面上Ag岛中的应力分布示意图。σf和 σs分别表示Ag膜和In/Si衬底的表面应力，F = σf− σs表示在Ag岛边界的力单极。 | |
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