超低能Si团簇负离子束沉积制备硅烯(silicene)

This project aims at developing ultralow-energy cluster ion beam depostion process for preparation of ultrathin layers of silicene. We will establish an ultralow-energy cluster ion beam deposition system where negative ion beams of Si clusters will be generated and extractd by a voltage of 6-20 kV and further decelerated to below 100 eV/atom by a negative bias voltage of 0-20 kV applied to the substrate. Then silicene sheets will be deposited on Ag(001), Ag(110), and Ag(111) substrates. The crystal structure, morphology, and electronic structure will be measured by scanning tunneling microscopy, atomic force microscopy, and angle-resolved photoelectron spectroscopy, and the carrier density and mobility will be determined by Hall effect measurement. The influence of process parameters on the structure and physical properties of silicene will be systematically studied and 1-3 atomic layers of silicene will be prepared under optimized conditions. This project will lay the foundation for development of low-energy cluster ion beam techology for synthesis of silicene ultrathin layers.

本项目建立一套超低能团簇负离子束沉积装置，用铯溅射离子源产生Si的团簇负离子束，以6-20kV的吸极电压引出，并在衬底上加0-20kV负偏压，使团簇离子束的能量降低至100eV/atom以下，在Ag(001)、Ag(110)和Ag(111)表面形成silicene薄膜。用扫描隧道显微镜、原子力显微镜、高分辨透射电镜和角分辨光电子能谱测定silicene的晶体结构、表面形貌和电子结构，用霍尔效应测定其载流子浓度和迁移率。改变团簇离子能量、沉积剂量和衬底温度等参数，系统研究制备工艺对硅烯层的晶体结构和电子结构的影响，取得优化的工艺参数，制备1-3个原子层的silicene，用团簇-固体相互作用理论和晶体生长理论探讨超薄硅烯形成的物理机制，为发展制备silicene的超低能团簇离子束沉积技术奠定实验基础。

硅烯是重要的二维原子层材料。本项目以2×1.7MV串列加速器的铯溅射负离子源为基础，设计搭建了团簇离子注入系统，用铯溅射硅靶的方法引出了硅的单离子及团簇离子束，用团簇注入对硅烯的制备工艺进行了研究探索。. （1）硅团簇负离子束的产生：以高纯压铸硅靶，用铯离子进行溅射，得到了Si1-Si7团簇离子，束流为5.5nA-24μA，表明该装置可提供硅的团簇负离子。然后研究了吸极电压对团簇离子束流的影响，测量了10-20kV吸极下的团簇离子束质谱，最低能量的团簇是1666eV/atom的Si6离子。. （2）硅烯的制备：衬底用单晶Ag(111)材料，用低能硅团簇进行离子注入。根据单层硅烯的原子面密度确定注入离子的剂量，用束流积分仪监控注入剂量，获得了不同能量和剂量的样品。. （3）后处理与测试分析：首先用10keV的Si-进行单原子离子注入，Ar气氛500℃退火20分钟。为了消除表面污染，在样品表征之前进行了Ar+溅射，Ar+能量为500eV。对样品进行了XPS和LEED测试。XPS结果中有明显的Ag峰，但未观察到硅特征峰，原因是：注入的硅的剂量太小；Ag信号太强，覆盖了微弱的硅信号。LEED图谱中也未呈现出清晰的点阵，表明此条件下尚未形成硅烯。其次，提高硅离子剂量，退火过程在STM内进行，温度400-500℃。退火的同时用不同能量的Ar+对样品表面溅射。原位进行XPS和LEED测量，XPS显示出Ag峰和明显的Si特征峰，以及一定强度的Ag-Si相互作用的特征峰，表明Ag衬底表面因注入而引入了一定量的Si原子。500℃退火后，LEED出现了更多更清晰的衍射点。我们注意到，注入的硅原子打乱了Ag衬底本身的六角结构，退火后有一定程度的恢复，衬底表面的Si原子在不同区域不连续的超薄硅层，并在LEED上显示出衍射点阵。