一种硅烯的制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种晶体材料，具体为硅烯制备的方法。
【背景技术】
[0002]硅烯是一种硅原子呈平面蜂窝状排列的二维纳米材料，具有良好的二维晶体结构和电学性质。与零带隙的石墨烯相比，硅烯具有一定的禁带宽度，因此在半导体电子器件和光电子器件领域有广泛的应用前景。目前制备硅烯的方法有外延生长和离子注入方法。
[0003](— )外延生长。国际上首次制备硅烯即用此方法，即硅源蒸发外延生长法。硅烯的特殊层状结构要求使用银单晶等特殊衬底材料。但是，当蒸发的原子在衬底上外延生长硅烯时，由于受到较强的界面相互作用，硅烯会出现重构，原子层翘曲程度发生变化，有些原子会上升，有些原子会下降，导致晶胞变大，对称性降低，或形成少层(few-layer)结构，从而破坏娃稀的狄拉克-费米特性，影响娃稀膜层材料的性能。
[0004](二)离子束方法。由离子源引出团簇离子束，注入到衬底材料表面层，经过适当的热处理，引导原子析出和成核生长，形成单层或少层二维材料。由于碳、硅等少数元素可以形成较大的团簇离子束流，因此，离子束方法可用于石墨烯和硅烯的制备。
[0005]另一方面，离子源引出的团簇离子束还可以进行减速，形成能量在10eV/atom以下的超低能团簇离子束，直接沉积在衬底表面而形成二维材料。
[0006]团簇离子束的特点是原子的能量、沉积剂量精确可控，抵达衬底表面的团簇离子具有单一的尺寸、质量和能量，因此可以获得厚度、结晶度可控的超薄二维材料。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种制备硅烯材料的方法，用铯离子溅射高纯硅靶，产生硅的团簇负离子束，通过优化调节离子源的靶溅射电流、离子束引出电压，获得较大束流的硅团簇负离子，经磁场偏转(质量选择)和二维静电扫描，注入到单晶Ag(lll)衬底表面。然后在超高真空中退火，注入在衬底表面层的硅原子在Ag衬底表面进行重构，形成硅烯。
[0008]本发明为了达到上述目的，设计了一种制备硅烯材料的装置，它主要由离子源、扫描器、沉积靶室和真空系统组成。离子源、扫描器、沉积靶室依次相连，处于真空系统之中。离子源产生的硅团簇离子束，得到负离子束扫描在衬底上形成厚度均匀硅烯膜。原理简图如图1。
[0009]为了提高硅团簇束流，溅射靶采用特定的凹锥形设计(锥角45-60度，见说明书附图3)，以达到增加束流和聚焦双重效果，并采用高纯硅块加工成靶，以实现优化的束流输出。
[0010]本发明所述离子源由铯炉、离化器、硅靶、吸极几部分构成，离子源工作原理:铯炉中的液态金属铯在加热作用下蒸发，产生的铯蒸汽到达用大电流加热的铠装钽丝绕成的凹面型离化器的表面，冷的铯的气体分子遇到热钽丝而电离，产生的铯离子在负的靶电压作用下加速往靶运动，将靶中硅原子以团簇负离子的形式溅出，团簇负离子在一个高于靶电位的吸极负电压作用下加速往吸极运动，最终将团簇负离子由吸极引出[见说明书附图2]。
[0011]本发明以高纯硅靶作为溅射靶，溅射电压Vsp为5-6kV;溅射产生的硅的团簇负离子束由吸极引出孔引出，吸极电压Vex—般为10-20 kV。引出的Sh_Si7对应的团簇束流如图4所示，Vex=20.0 kV。
[0012]本发明所述扫描器采用静电扫描方式，用0_15kV连续可调的双路三角波电源驱动，实现离子束在XY方向的均匀扫描，扫描器安装在两个45度磁铁之间的真空盒内。
[0013 ]本发明所述的硅烯的制备方法，包括以下步骤:
(1)硅靶的制备:
将纯度为99.9%的硅块经车间加工成硅靶，硅靶的形状为凹锥形；
(2)引出硅团簇离子束:
将上述硅靶安装在溅射靶上，在控制钽丝的加热电流20-28 A，溅射硅靶的溅射电压为5-6 kV，吸极电压为10-20 kV的条件下，用铯离子溅射硅靶，溅射产生的Si2—团簇负离子束由吸极引出孔引出；
(3)团簇呙子注入:
将Si2—团簇负离子束注入到单晶Ag( 111)衬底中，形成硅烯；
(4)溅射及退火处理:
将注入完成的样品放至2X10—3-5 X10—3真空腔内，用600 eV的Ar+离子对表面进行溅射，以清除表面污染物，然后在8X10—9 -2X10—8 Pa的超高真空下对样品进行退火处理，退火温度为400-500°C，即可完成硅烯的制备。
[0014]所述的溅射硅靶的凹锥形的锥形角的角度为45-60°，溅射硅靶长度为15mm，直径为7 mm。
[0015]步骤(2)中，溅射出的Si2—团簇负离子束的能量为5-201^ν<^?2—团簇负离子束为Sii_Si7团簇束流。
[0016]步骤(3)中，单晶Ag(lll)衬底的大小为5X5mm2。
[0017]步骤(3冲，Si2—团簇负离子束注入剂量为2X1015 atoms/cm2。
[0018]步骤⑷中，派射的真空度为4X10—3;退火的真空度为10—8 Pa;退火温度为450°C。
[0019]本发明的有益效果是提供了一种制备硅烯的方法，其的优点是；(1)注入的硅原子的数目可由束流积分仪读出，从而制备的硅烯厚度精确可控；(2)可在室温下沉积；(3)扫描作用下可制备均匀性较好的薄膜。
【附图说明】
[0020]图1为本发明装置原理图。1.负团簇束、2.扫描电场、3.样品架、4.减速场、5.束流积分仪。
[0021]图2为本发明所述离子源的结构图。图中6.铯炉、7.离化器、8.冷却剂、9.硅靶、10.阴极绝缘子。
[0022]图3为本发明所设计的溅射靶的形状示意图。
[0023]图4为本装置溅射产生的Sh_Si7对应的团簇束流。
[0024]图5为本装置所制备的硅膜的XPS图。其中(a)为400°C溅射后的图、(b)为450°C退火图、(c)为500°C退火图。
[0025]图6为本装置所制备的硅膜的LEED图。其中(a)为400°C退火图、(b)为450°C退火图、(c)为500°C退火图。
【具体实施方式】
[0026]实施例1
由于引出的负离子的束流强度会直接影响到离子注入的效率，所以很有必要优化溅射束流。普通的平面形靶材对溅射的负离子的散射作用较强，导致引出的束流强度较弱。若将靶材的前端设计成锥角为45-60°的凹锥形(见附图3)，则在溅射过程中的散射作用被减弱，聚焦作用被大大增强，从而增大负离子束流。实验证明，在其他条件相同的情况下，采用本发明中设计的凹锥形溅射靶，沉积靶室中引出的束流强度比用普通的平面靶材要高出约一个数量级，这将大幅提升离子注入的效率，尤其是对原子数大于4的团簇负离子注入。
[0027 ]本方法获得了 S i rSi 7团簇，其束流与团簇尺寸的关系如图4所示，其中S i 2的束流达到3.5微安，Si7达到3nA，均可满足硅烯沉积对离子数量的要求。
[0028]将能量为10keV的Si2—离子团簇注入到单晶Ag(lll)衬底上，注入剂量为2X1015atoms/cm2，此剂量相当于两层厚度的硅烯膜层。前期实验证明，若注入对应于单层硅烯厚度的原子剂量(IX 1015 atoms/cm2)，由于注入的硅原子有一定的深度分布，且在退火过程中硅原子的扩散作用一方面会向衬底表面进行，另一方面则向背离表面的方向进行，所以会导致到达Ag(lll)表面的硅原子数目不足以形成单层硅烯，因而我们选择了较大的注入剂量。
[0029]团簇离子注入完成后，将注入的样品放入扫描隧道显微镜(STM)设备系统的腔室内，用600 eV的Ar+对样品表面进行溅射处理，以清除表面的污染物及吸附物，溅射时腔室的真空度为4 X 10—3 Pa。随即在此腔室内对样品进行退火处理，退火温度为400-500°C，此退火过程的主要目的在于:一方面使注入的硅原子扩散到衬底表面，另一方面使近表面因被离子注入轰击而打乱的银原子发生重构，重新恢复到Ag( 111)结构，促进硅烯在其表面产生。
[0030]在退火过程进行的同时，我们对样品进行了 X射线光电子能谱(XPS)和低能电子衍射谱(LEED)的测量，结果见附图5和图6。从LEED图谱中可以看出，图中的衍射点较少，表明400°C的退火处理未能形成硅烯，表面结构尚处错乱状态。当退火温度升至450°C时，衍射点明显增加，表明此温度大大有利于银原子在表面重构。当退火温度继续升至500时，衍射点未见继续增加，由此推断450°C是Ag(lll)衬底发生重构的最佳温度，利于硅烯的生长。XPS谱中也观察到了相应的S1-Si键和Ag-Si键。
【主权项】
1.一种硅烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 硅靶的制备: (1)将纯度为99.9%的硅块经车间加工成硅靶，硅靶的形状为凹锥形； 引出硅团簇离子束: (2)将上述硅靶安装在铯溅射负离子源的溅射靶上，用铯离子溅射硅靶，溅射产生的Si2—团簇负离子束由吸极引出孔引出； 团簇尚子注入: (3)将单晶Ag(lll)衬底放置在沉积靶室中的样品台上，Si2—团簇负离子在经吸极电压加速后经过扫描电场均勾沉积在Ag (111)衬底上； (4)溅射及退火处理: 将注入完成的样品放至扫描隧道显微镜下，在控制2 X 10—3-5 X 10—3的真空腔内，用600eV的Ar+离子对表面进行溅射，以清除表面污染物，然后在8X10—9 -2X10—8 Pa的超高真空下对样品进行退火处理，退火温度为400-500°C，即可完成硅烯的制备。2.权利要求1所述的硅烯的制备方法，其特征在于，溅射硅靶的凹锥形的锥形角的角度为45-60°，溅射硅靶长度为15 mm，直径为7 mm。3.权利要求1所述的硅烯的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，离子源中的钽丝的加热电流控制为20-24 A，溅射硅靶的溅射电压为5-6 kV，吸极电压为10-20 kV的条件下。4.权利要求1所述的娃稀的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，派射出的Si 2—团簇负离子束的能量为5_20keV。5.权利要求1所述的硅烯的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，单晶Ag(lll)衬底的大小为5X5 mm2ο6.权利要求1所述的硅烯的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，Si2—团簇负离子束注入剂量为2X1015 atoms/cm2。7.权利要求1所述的硅烯的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，溅射的真空度为4X10―3;退火的真空度为10—8 Pa;退火温度为450°C。8.权利要求1所述的硅烯的制备方法，其特征在于，Si2—团簇负离子束为Sh-Si7团簇束流。
【专利摘要】本发明提供了一种制备硅烯的方法。具体是将硅块加工成硅靶，硅靶的形状为凹锥形；将上述硅靶安装在铯溅射负离子源的溅射靶上，用铯离子溅射硅靶，溅射产生的Si2-团簇负离子束由吸极引出孔引出，Si2-团簇负离子在经吸极电压加速后经过扫描电场均匀沉积在Ag(111)衬底上；样品在真空腔内，Ar+离子对表面进行溅射，然后在超高真空下对样品进行退火处理，即可完成硅烯的制备。本发明利用低能团簇负离子束单个原子的低能量、剂量精确可控的优势，可以实现直接沉积法制备硅烯。
【IPC分类】C01B33/021
【公开号】CN105439148
【申请号】CN201510793100
【发明人】李慧, 石婷, 王泽松, 付德君
【申请人】宜昌后皇真空科技有限公司
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月18日