甚高频等离子体溅射制备类硅烯及生长机制的研究

The recent theoretical prediction of silicene, the silicon counterpart of graphene, has generated intense interest in this new two-dimensional system. Unlike graphene, silicene is predicted to have a low-buckled honeycomb structure, in which one Si atom is buckled out of the plane. While graphene can be mechanically exfoliated from graphite, silicene has to be grown on a substrate. However, to date, silicene monolayers were only epitaxially grown on Ag(111), no other method can be used. Thus, the major challenge in this field is now the preparation of highquality silicene films. In this project, we propose a new method to prepare the silicone-like films on Ag(111) films by 40.68MHz – 100MHz very-high-frequency (VHF) sputtering due to the high ion energy and the low deposition rate in the VHF sputtering. The major investigations include the effect of substrate structural characteristic on the growth of silicene-like, the effect of sputtering frequency on the growth of silicene-like, the basic physics problem on very-high-frequency (VHF) and the growth mechanism of silicene-like by VHF sputtering. By these works, we will solve some basic physics problems on preparation of silicene-like by VHF sputtering and develop some new technology to prepare silicene-like films.

随着碳的二维六角蜂巢结构材料 — 石墨烯的快速发展，与碳同属IV族的硅的二维六角蜂巢结构材料 — 硅烯(Silicene) 成为高度关注的研究焦点。由于自然状态下硅烯不能单独存在，人们首先在理论上预言了硅烯的结构和性能。为了验证理论预言，迫切需要从实验上获得硅烯材料，但是目前能够获得硅烯的唯一方法是采用热蒸发技术在金属基底上外延生长硅烯，这将严重制约硅烯的理论研究进展及将来的硅烯应用发展。因此，深入开展硅烯的制备技术研究，寻求制备硅烯的新技术，尤其是与微电子工艺相兼容的新技术，是具有重大意义的迫切需要解决的课题。本项目提出采用甚高频溅射等离子体技术开展类硅烯外延制备研究，重点从类硅烯外延的基底结构效应、类硅烯溅射生长的驱动频率效应、甚高频等离子体特性关联三个方面探索甚高频等离子体溅射制备类硅烯材料，研究类硅烯的生长机制。

硅烯是继石墨烯材料后得到高度关注的二维六角蜂巢结构新材料，寻求与微电子工艺相兼容的硅烯制备新技术，是硅烯研究需要解决的重点问题。项目以甚高频磁控溅射在Ag薄膜基底上沉积类硅烯为目标，研究了适合类硅烯外延生长的Ag基底制备技术，研究了溅射频率和Ag基底结构差异对类硅烯外延生长的影响，研究了甚高频磁控溅射离子性能的调控效应,完成了申请书预定的目标。.项目开展的主要工作是：（1）以类硅烯外延的基底结构效应为重点，研究了Ag薄膜基底结构性质的溅射频率、功率效应，获得了满足类硅烯生长的(111)择优取向Ag基底；（2）以类硅烯溅射生长的驱动频率效应为重点，结合Ag 基底的结构特性，研究了溅射频率、Ag 基底结构对Si沉积及性能的影响，获得了Ag(111)薄膜基底上“外延”生长硅薄膜的实验条件；（3）以甚高频溅射等离子体的基本物理问题为重点，通过研究离子性能与靶材、放电气压、基片偏压频率的关联，探索了甚高频等离子体溅射的离子性能调控问题。. 项目取得的重要成果是：（1）探索了甚高频溅射在类硅烯生长中的应用，发现60MHz甚高频磁控溅射可以在Ag薄膜基底上沉积与基底结构相近的硅“外延”层，为类硅烯的生长应用提供了可能的途径。（2）研究了射频、甚高频驱动的磁控溅射沉积Ag薄膜材料的性能。发现通过溅射驱动频率和功率，可以控制Ag薄膜的生长和结构性能；采用2MHz溅射技术，在较低功率下可制备更适宜类硅烯生长的Ag基底；利用60MHz磁控溅射的低沉积速率特性研究了Ag薄膜的生长，获得了Ag薄膜初始生长的完整行为。（3）研究了甚高频磁控溅射离子性能与靶材、基片偏压频率、放电气压的关联，获得了甚高频磁控溅射的离子通量和离子能量调控的有效技术途径。（4）依据射频放电等离子体的等效电路模型，发展了射频磁控溅射鞘层性能的阻抗诊断技术。（5）研究了多种频率磁控溅射放电的阻抗特性，发现了27.12 MHz、60 MHz磁控溅射下电子惯性效应的显著影响，为研究低温等离子体中的电子惯性效应提供了可能途径。