校历第十八周计划（12.23-12.27）：关于双层原子台阶的形成机制

前面进行了Si（001）表面结构的学习，接下来将原子台阶相关知识进行学习和记录，主要涉及双层原子台阶的形成和性质。画图采用visio软件。

12.23

理想Si(001)表面上的每个原子有2个悬挂键，表面能量很高，为了降低表面能量达到系统的稳定结构，表面原子会重新成键形成再构表面。很多实验和理论讨论该表面的原子和电子结构，研究认为此表面低温下形成(2×2)或(4×2）结构，高温下会形成(2×1)结构。已证实si原子在Si(001)表面扩散是各向异性的：沿着平行于二聚体排方向扩散比较快，而沿着垂直于二聚体排方向扩散比较慢。下图为两种增原子转移机制，图b为形成的双原子B型台阶。该台阶二聚体链轴向平行于台阶方向。图c为一种可能的机制，表面增原子覆盖B型台阶（留待考察）。

查阅一些文献所得，si（001）台阶表面增原子的扩散机制不仅仅是表面上的位置平移，而还有与二聚体链上的表面原子交换。这种扩散机制留待下面说明

12.24-12.26

以图示说明双层原子台阶的扩散机制。

第一种是在较高温度下发生的，如下图所示，上图为俯视图，下图为侧视图。红色A为增原子，在B型台阶表面的增原子在热运动下很容易沿平行于二聚体链方向扩散，在扩散到A型台阶二聚体链边缘时，需要克服一定的势垒，增原子与A型台阶表面第一层原子和B型台阶第一层原子的两个表面原子成键。

下图为增原子从A型台阶上向B型台阶上扩散的路径示意图。

第三种扩散方式：增原子从B型台阶上扩散到A型台阶上。和前两种相差不多，增原子先是和表面第一层原子结合，然后替换掉第一层原子的一个，替换的原子扩散台阶边缘处，与下层或上层台阶结合成二聚体链。具体形式由于图较难画，请参考下述文献.

Kinetic mechanism for the transformation of single-layer steps into double-layer steps by Si deposition on a vicinal Si(100) surface

10 June 1991

12.27 ---》一篇由高温退火工艺形成双原子层台阶的文献

Si(001)-2×1 Single-Domain Structure Obtained by High Temperature Annealing

26 November 1985

背景:

双原子台阶只能在近（001）表面观察到，已做的实验是在0.5°偏角观察到Si（001）-2x1双原子层台阶结构

本文研究：

使用MBE获得平滑Si（001）-2x1双原子层台阶结构。

实验：

取材：Si衬底（取向良好的P型）（001）4ohm·cm，尺寸：47x10x0.5mm3

实验步骤：

1，基材脱脂。

2，在HCL:H2O2:H20(1:1:4)溶液中煮沸，形成保护氧化膜。

3，在基板温度为800°C的表面上照射3X10^3atoms/cm2·s的si射线约5分钟，以蒸发薄氧化膜。

4，清洗后将基板温度设为600°C，生长厚度为数千埃的缓冲层，以消除残留氧化物或者碳污染问题。

分析

RHEED:反射式高能电子衍射装置(RHEED)是MBE设备上的一个十分重要的部件，用它可在生长的原位观察样品表面的清洁度、平整度、表面结构，通过观察到的曲线确定生长情况。

1，刚生长的表面中为2x1和1x2结构，表面中台阶为单原子高度。

2，1000°C的温度下将样品退火20分钟后，将衬底温度设为生长温度400-450°C，图样由斑纹到斑点，证明表面由台阶过渡到大致平滑。

3，论证高温退火能够使表面更加光滑。1000°C退火20分钟，900°C退火1分钟。弱退火之后，单原子层先是存在，后慢慢逐渐发展为双原子层。

5，总结

观察到的RHEED模式图揭示了高温退火后，在取向良好的Si（001）表面上存在稳定的单畴2x1结构。这表明产生（001）-2×1结构的单原子层高度已更改为双原子层高度。

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关于双层原子台阶的形成机制

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12.23

12.24-12.26

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