（材料学专业论文）cdznte单晶表面、界面及位错的研究.pdf

摘要 c d z n t e 晶体是迄今制造室温x 射线及丫射线探测器以及h g c d t e 等红外薄膜 外延衬底最为理想的半导体材料。尽管对c d z n t e 的研究由来已久，但在c d z n t c 晶体的表面处理、金属与c d z n t e 晶体接触及晶体缺陷行为研究上尚存在诸多难 题。 本文主要研究了c d z n t e 晶体表面处理工艺，如机械抛光，化学抛光，钝化， 及这些工艺对表面质量的影响。深入分析了c d z n t e 晶体表面的基本物理性质，如 表面的原子结构、电子结构和功函数。进而，采用淞e 在c d z n t e 衬底上沉积a u 和a g ，研究了a u 和a g 与c d z n t e 之间的界面反应和肖特基接触势垒。此外，采用 化学镀金法制备了a u 的欧姆电极，研究了欧姆电极的界面结构以及欧姆接触形成 的机理。最后，研究了c d z n t e 中位错的一些基本性质。 采用机械抛光获得的光亮c d z n r 晶体表面存在一定的损伤层，通过x 射线 摇摆曲线并结合化学腐蚀，测算出该损伤层的厚度约为1 3 u m 。采用b r - m e o h 溶 液腐蚀可以有效地去除损伤层，但b r m e o h 腐蚀后的晶片表面通常会形成的无定 形的富t c 层，进一步的化学机械抛光可以去除该富t e 层。c d z l l l b 晶体表面损伤 层，会造成较大的表面漏电流和一定的红外吸收。表面富t e 层是一个高导电区， 它会造成较大的表面漏电流，但基本不影响红外透过率。表面钝化处理可以有效 地减少表面漏电流，但是钝化层( 氧化层) 会吸收红外光，导致红外透过率的下 降。与常用的钝化液卜m 4 f + h 2 0 2 相比，采用b r 2 水溶液进行钝化处理可以获得钝 化效果更好的r 0 2 钝化层，而不是通常得到的c d t c 0 3 层。 在超高真空条件下采用a r 离子刻蚀并进行原位退火，获得了清洁有序的 c d z n t c 单晶表面。采用低能电子衍射( l e e d ) 测量了不同表面的原子结构。在( 1 1o ) 面观察到( 1 1 0 ) 一( 1 1 ) 的原子结构，并通过光电子能谱验证了表面弛豫的存在。在 ( 1 1 1 ) a 和( 1 1 1 ) b 面上分别观察到( 1 1 1 ) a 一( 1 x 1 ) 和( 1 1 1 ) b 一( 1 1 ) 的完整表面原子结构 以及( 1 1 1 ) a 一( 3 3 ) r 3 0 。和( 1 1 1 ) b ( 2 2 ) 的表面重构。( 1 1 1 ) a 面的重构是由c d 空 位引起的，两( 1 1 1 ) b 面的重构是t e 的顶戴原子形成的。 通过同步辐射角分辨光电子能谱( s r a r p e s ) 计算出c d z n t e ( 1 l o ) 面的悬挂 键密度约为6 9 1 0 1 4 c m 2 ，即每一个表面原子含一个悬挂键。发生重构的 ( 1 1 1 ) a ( 3 3 ) r 3 0 0 表面c d 空位增加，c d 空位引入了施主型的表面态，致使能 带向下弯曲。发生重构的( 1 1 1 ) b 一( 2 2 ) 表面钝顶戴原子起着受主的作用，导致价带 顶向上弯曲。 采用光电子能谱技术测量c ( 1 z n 民不同表面的功函数，结果表明( 1 1 1 ) a 面的功 函数大于( 1 1 1 ) b 面；吸附气体和a u 会增加c d z n t e 晶片的功函数；排列整齐有序 两北t 业j ：学博f 学位论文 的表面的功函数要低于存在损伤的表面；( 1 1 1 ) a 面发生重构后，c d 空位增加， 能带向下弯曲，增加了功函数；而( 1 1 1 ) b 面发生重构时，t c 顶戴原子吸附在晶 体表面，形成表面偶极层，也会增大表面功函数。 研究了a u 与清洁c d z n t c 不同晶面的接触势垒，其中( 1 1 0 ) 面的接触势垒 最大，( 1 1 1 ) b 面次之，( 1 1 1 ) a 最小。这是由于( 1 1 0 ) 面的表面能最低，是稳定面， 难以发生界面反应。( 1 1 1 ) a 面的t e 原子不稳定，容易与a u 发生化学反应。通过 紫外光电子能谱也证实了a 们d z n t c ( 1 1 1 ) a 的界面确实发生了界面反应。a g 与清洁c d z n t e 存在比较明显的界面反应，导致接触势垒很低，约为o 2 e v 。而a g 与经化学腐蚀的c d z n t c 晶片的接触势垒约为o 6 7 e v ，这是由于氧化层和富t c 层 阻挡了a g 与c d z n t e 的反应，从而导致了较高的接触势垒。 c d z n t e ( 1 1 1 ) a 面发生重构后表面c d 空位增加，在沉积a u 的过程中，a u 会 填补这些空位，作为c d 的替换原子与周围的三个t c 原子结合。这样将有利于a u 的扩散和界面反应的发生，因而会降低接触势垒。另外表面c d 空位引入的缺陷能 级也会降低肖特基接触势垒。 a 们d z n t e ( 1 1 1 ) b 一( 2 2 ) 的肖特基势垒低于a u c d z n t e ( 1 1 1 ) b ( 1 1 ) 面。分析认 为这是由于c d z n t c ( 1 1 1 ) b ( 2 2 ) 最外两层原子均是t e 原子，t e 与a u 之间容易发 生电子云重叠，形成化学键，即形成合金化的界面层，使富t c 面容易形成低的肖 特基势垒。对a l l c d z n t e 在3 5 0 0 c 下退火1 小时，可以改善a u 膜的有序性，并 降低接触势垒约o 1 5 e v 。 采用a u c l 3 水溶液在c d z n t e 表面分解制备了a u 的欧姆电极，并采用，s 研 究了化学镀金法制备的a “c d z l l l e 的界面成分分布，确定了c d r 0 3 界面层的存在。 分析了a u 层与c d z n t e 形成欧姆接触的机理，提出了c d t e 0 3 界面层导致欧姆接 触的新模型，该模型可以解释目前所有的实验结果。 通过塑性变形在c d z n t c 晶体分别引入了c d ( g ) 位错和t e ( g ) 位错。由于位错内 的悬键电子会吸收红外光，导致晶片红外透过率下降。变形后的晶片的漏电流显 著增大，运用普尔一弗兰克效应解释了实验结果。采用i v 、p l 谱和h a l l 等测量方 法研究了位错的电学特性，结果表明，c d ( g ) 位错在c d z n t e 晶体中起受主作用， 而t e ( g ) 位错在晶体中起施主作用。c d ( g ) 位错会会加大对空穴的散射，而导致空穴 的迁移率下降，而t e ( g ) 位错会加速空穴的漂移，使空穴的迁移率增加。 关键词：c d z n t e ，表面漏电流，红岁 透过率。表面弛豫，表面重构，表面电 子结构，功函数，界面反应，肖特基势垒，欧姆接触，位错 a b s i r a c t a b s t r a c t c d z 玎ri st h em o s tp m m i s i i l gm a t e r i a lf 研r 0 咖t 锄p e r a m r ex r a y 肌d g a i n n l a r a yd e t e c t o r s ，a sw e l l 船印i t a x i a ls u b s t r a t ef o rh g c d t 色a 1 1 do m 日i n 丘a r e d m a t 喇a l s a 1 t h o u 曲t h er e s e a r c h e s0 nc d z n t el a s t e df o ro v c r2 0y e a r s ，t l l e r ea r es t i l l m a n yu m m o w sa b o u tt h es l l r f a c e 仃e a t m e n t ，m e t a l 一a 1 z n t bc o n t a c tp r o p e n i e s 锄d d i s l o c a t i o 璐b c h a v i o r so fc d z n t ec r y s t a l ，w h i c ha r ei n v e s t i g a t c di n “sw o r k t h es u r f k e 仃e a n n e n t so fc d z n t ec r y s t a l s ，s u c h 髂m e c h a i l i c a jp o l i s h i n 譬，c h e m i c a l p o l i s l l i n g 锄dp a s s i v a t i o l l ，w c r ef i r s ts t i l d i e d t h ec h a m c t e r so fc d z n t es u r f a c e sw i t h d i f f b r e n t 仃e a 恤e i l t s ，s u c h 弱t h es u r f k ea t o m i cs l n l c t l l r e ，e l e c 仃o n j cs 仃u c t u r e 锄dw o r k f i l n c t i o nw e r ea 1 1 a l y z e dw i t hv a r i a n ta d v a i l c e dt e c l l i l 0 1 0 百e s t h ei n t e 响c eb e h a “o r b e t 、v e e i lc d z n t ea n dm e t a lc o n t a c t s ，i n c l u d j n gt h ei m e 响c ec h e l l l i c a lr e a c t i o n ，s c h o t d 呵 b 枷e rh e i 曲t s ，a n de i e c t i d l e s so h m i cc o n t a c tw e r cs t u d i o di i id e t a i l a tl 雒t ，t l l e b e h 州。巧a i l dt h ee f r c c t so fd i s l o c a t i o n si i lc d z n t es i n 9 1 ec r y s t a l sw e r ci n y e s t i g a t e d m c c h a 血c a ip o l i s t l i n gp r o d u c e sd a m a g e d1 a y e ro nc d z n t cs u r 蠡l c e b yc o m p “n g m ew e i g b tl o s ea n df w h mo fx r a yr o c “n gc u e sm e rd i 他r e n tc t c h i n gt i m e ，t h e t 1 1 i c h c s so f t h es u m i c ed a m a g e di a y 盯i sd e t e n n i n e dt ob ea b o u t1 3 p m t h ed a m a g e d 1 a y e rr e s u l t si nh i 曲s u r f 砬el e a k a g ec u r t e l l ta n d 瓜a b s o i p t i o n e t c h i n gw i m b r - 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( 2 2 ) r c c o i l s m l c t e ds u 匝北ei sl l i g h c ft l l 锄m a to f ( 1 1 1 ) b 一( 1 1 ) ，a s c r i b e dt o m es l l r f 犯ed i p o l el a y c rc a u s e db yt ea d a t o m s s c h o t 姆b a 币e rh e i 出o fa i l c d z n l bi n t e 嘞c eo nc d z n t e ( 1 1o ) s u r ei st h e h i 曲e s t ，o n ( 1 1 1 ) bs w f 犯ei s1 d w a n dt h a t0 nc d z i l t e ( 1 1 1 ) ai st h el d w e s t t h e r e s u l t sc a nb ee x p i a i n e da sf o l l o w s t h e ( 1 1 0 ) s u r 缸ei sas t a b i l i z e do n ew i t ht h el o w e s t s l l l f 砬ee n e r g y ，s o “i sn o te a s yf o rc h e m i c a lr e a c t i o nb e n v e e na ua 1 1 dc d z n t bt 0t a k e p l a c e ，锄dp r e s e r v e di h el l i 曲s c h o t t l ( yb a r r i e l ( 1 1 1 ) as u r f 缸ei sap o l a r i z e do n e ，w b e r e m et ba t o m sa r ee a s yt 0r c a c tw i t l l9 0 1 dt or e d u c et l l eb 拥e lt h er e a c t i o nw 鹤 c o n f i 皿e db yu l t r a “o l e tp h o t o e l c c t t d ns p e c t m s c o p y t h ei n t e r f k er e a c t i o nb e t w e a g 粕dc l e a i lc d z n t ei sm o r eo b v i o u s ，、他i c hr e s u l t si nal o ws c h o n k yb a r r i e rh e i 曲to f a b o u t0 2e v w 1 1 i l et h es c h o t i k y b a r r i e r h e i 曲tb e t 、v e e na ga i l de t c h e dc d z n t es u 嘞c e i sa sh i 曲a so 6 7e v ，鹊翻b c dt ot h ei n t c r c e p t i o no f m eo x i d ea n dt ee n r i c h e dl a y e r w h j c hs t o p e dt h ec h 锄i c a lr e a c t i o nb e t 、v e c i la ga i l dc d z n t c ， o i l m er e c o i l s t 兀l c t e d c d z n t e ( 1 1 1 ) a - ( 3 3 ) r 3 0 0s u 晌c e ，t h e a ua t o m s m u p c dv a c a n c i e sa l l db o n dw i t l la r o u n dt ba t o m s ，w h i c hp r o m o t e st h ei m e r f h c er e a c t i o n a n dd i 舶s i o no ft h e9 0 1 di n t ot l l ec r y s t a l s ot 1 1 es c h o t t l ( yb a 仃i e rh e i g h to na “c d z n t e ( 1 1 1 ) a 一( 3 3 ) r 3 0 0s u r e i s l o w e r t l l a i l t h a t o f u n r e c o l 岱咖c t e d o n e 1 1 l e s c h o n k y b a 埘e rh e i 曲t0 na u c d 2 知t e ( 1 l1 ) b 一( 2 x 2 ) s u r f 砬ei s1 0 w c rt h a i lm a to fa 们d z n t c ( 111 ) b - ( 1 1 ) ，w h i c hi sd e t e m i n e d b yi h et o pt 、ol a y c rt ea t o m so n ( 1 1 1 ) b - ( 2 2 ) s u r f 犯e ，w h e r et bi se a s yt or e a c tw i t l lg o j dt of o m lt h ea l l o y e di n t e r f a c el a y e ra i l d d e c r e a s e ss c h o t t k yb a r r i e rh e i 曲t a 叫e a l i n ga 3 5 0 0 cf b ro n eh o i l ri nv a c u 啪c o u l d i m p r o v et h eo r d e r i n go f g o l df i l ma 1 1 dd e c r e a s et h eb a r r i c rh e i g h tt oa b o u to 1 5 “ a uo h m i ce l e c 仃o d ew a sa l s op r 印a r e db yt h er e a c t i o no fg o l dc h i o d es 0 1 u t i o no n c d z n t bs u r f a c e t h ec o m p o n e n to ft h ei n t e r f a c ew a ss f u d i e dw i t hx m yp h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o py ，a 1 1 dc d t e 0 3j n t e r f k el a ”rw a sf o l u l d an e wm o d e lw a sp r o p o s e dt o e x p l a i nt h co h m i c c o n t a c tm e c h a n i s m ， a i l d e x p l a i ne ) ( p 谢m e l l t r e s u l t so fo t h e r r e s e a r c h e r s c d ( g ) m dt e ( 曲d i s l o c a t i o n sw e r ei n t r o d u c e di n t oc d z n t eb yt h em e a i l so f b e n d j n gd e f o m a t i o na ta ne l e v a t c dt 啪p e r a t i l r e t t l ea v e r a g e 王t r a n s m i t t 柚c eo f c d z n t ew 勰d e c r e a s 酣印p a r 饥t l y 心e rd e f o 订r i a t j o 玛a s c 曲e dt ot l e p o l 撕z a t j o n a b s o r p t i o no f d a l l l i n 争b o n de l e c 仃。璐i nt h ed i s l o c a t i o n s t h el e a l ( a g ec u 丌翎to f c d z n t e a f i e rd e f b 彻a t i o ni n c r e 邵e dl a r g e l y 锄dp o o l e - f r e l l l 【e le f f c c ts h o u l db er e s p o l l s i b l ef o r m ei 1 1 c r e 船e n l ee f f c c to fd i s l o c a t i o i l so nt h ec a r r i e r sd e n s i t y ，w 够a n a l y z e db yi v c b a r a c t e r s ，p h o t o l 啪i 1 1 e s c e l l c es p e c t r a 皿dh a l le f r 圮t nw 觞f o m l dm a t ，c d ( d d i s l o c a t i o n sa c t 船a c c 印t o r s ，s c a t t e rh 0 1 ea 1 1 dd e c r e a s et h em o b i l i 哆o f h 0 1 e ，w h j l et e ( g ) d i s l o c a t i o n sa c t 鹪d o n o r s ，p r o m o t ed i s p e r s i o no f h o l ea n di i l c r e a s et h em o b i l i t yo f h o l e k e yw o r d s ：c d z 7 i b ，s u r f h c ei e a k a g ec u r r e t ，i r 仃a n s m i t t a n c e ，s u r f h c er e l a x a t i o n ， s u r f h c er e c o n s t r u c t j o 皿，s u r f h c ee l e c t i o n i cs t 朋c t u r e ，w o r k 如n c 廿叩， n t e r f a c ec h e m i c a lr e a c t i o ， s c h o t t k yb a e b o hm i cc o t a c t ， d i s l o c a t i o s 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查 阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：驾虹 1 年岁月乃日 指导教师签名：二遴 立。0 7 年r 月矽日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已 申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均己在文- 中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：趣 叫年f 月哆日 论文的主要创新与贡献 揭示了表面损伤层、表面成分偏析以及表面钝化层对c d z r r r e 晶体表面 漏电流、红外透过率以及光致发光特性的影响规律。并优化了c d z i l t e 的表面处理工艺。 提出了一种新的c d z n t e 晶体表面钝化工艺，即采用b r 2 水溶液直接钝 化，形成t e 0 2 钝化层，避免了传统氧化钝化方法中常出现的c d t e 0 3 。 采用a r + 刻蚀并原位退火获得了理想清洁有序的c d z n t c 单晶表面。并 实验确定了( i 1 0 ) 面、( 1 l l a 面和( 1 1 1 ) b 的表面原子结构和电子 结构。并揭示了表面原子结构和状态对表面能带和功函数的影响规律。 实验证实了a u 和a g 与c d z n t e 不同表面之间存在一定的界面反应，并 揭示了其对肖特基势垒高度的影响规律。采用化学镀金法在c d z n t e 晶 片上制备了欧姆电极。并提出了c d t e 0 3 界面层形成欧姆接触的新模型， 合理地解释了实验结果。 通过塑性变形，在c d z n t e 中分别引入了c d ( 曲和t c ( g ) 位错。实验证 实了位错内的悬键电子会吸收红外光，导致晶片红外透过率下降，c d ( 曲 位错在晶体中起受主作用，而t c ( g ) 位错在晶体中起施主作用。c d ( g ) 位 错会加大对空穴的散射，而导致空穴的迁移率下降，而t e ( g ) 位错会加 速空穴的漂移，使空穴的迁移率增加。 ) ) ) ) ) “ q o “ 6 1 1 引言 第一章文献综述 碲锌镉晶体是由c d t e 和z n t e 形成的一种固溶型化合物半导体，通常表示为 c d z n t e 。c d t e 作为一种x 射线和y 射线探测器材料，自7 0 年代以来得到了广泛 的研究i m 。但是它的电阻率太低，不太适于在室温下工作，而且它作为h g c d t e 的外延衬底时也存在晶格失配问题。为此人们设想在c d t e 中掺入一定量的z n ， 可以使其晶格常数在o 6 1 0 0 o 6 4 2 8 蕊之间连续可调，增加其禁带宽度，提高电 阻率。同时，因为z n 的引入，增加了晶格强度和堆垛层错能，降低了位错密度和 形成挛晶的可能性，从而弥补了c d t e 晶体性能上的不足，发展了c d z n t e 晶体【2 1 。 c d z n t e 晶体具有闪锌矿结构，它是由c d ( z n ) 和t c 原子各自组成的面心立 方晶格沿空间对角线彼此位移四分之一对角线长度而构成的，如图1 1 所示。其 ( 1 1 1 ) 面的面间距最大，共价键键长最长，键能最低。但( 1 1 1 ) 面是全c d ( z n ) 或全t e ，是极性面，每两层( 1 1 1 ) 面形成电偶极层。他们的结合能受到长程库仑 力的作用，库仑力的大小由t e 、c d ( z n ) 的有效电荷决定1 4 】。而( 1 1 0 ) 面上c d 和t c 的原子数目相同，是非极性面，面与面之间库仑作用力抵消，所以结合能更 低，更稳定，容易发生解理。 c d ( z n ) ot e 图1 1c d z n t e 晶体结构示意图 f i g 1 1 n l e1 a n i c es n l l c t u r eo fc d z n 7 r e c d z n t e 晶体的制备方法多种多样，主要包括垂直梯度冷却法( v e r t i c a l g r a d i e n tf r e e z e ，v g f ) 【5 ，6 1 、热交换法( h e a te x c h a n g e rm e t h o d ) 【7 1 、移动加热器 两北t 业大学博f 学位论文 法( 1 h v e l l i n gh e a t e rm e t l l o d ，t h m ) 【8 ，9 j 和垂直布里奇曼法( v e n i c a lb r i d g m a i i m e t l l o d ，v b ) 【l o 15 1 。尽管生长方法很多，但由于c d z n t e 晶体的热导率低，界面 前沿的潜热不易释放，使生长界面很难控制，另外由于c d z n t e 的堆垛层错能及临 界剪切应力都很低，容易形成孪晶、层错和位错等缺陷。因此，目前c d z n t c 晶体 生长技术还在进一步的发展完善之中【1 6 】。 1 2c d z n t e 的物理性质和应用 1 2 1c d z n t e 的电学性质 在c d z n t c 晶体中，由于z n 的掺入使c d z n t e 的晶格压缩，结果使t e 反位 施主浓度相对减少，c d 空位受主缺陷浓度增加。因此不掺i n 、a l 等施主杂质 的c d z n t e 单晶为p 型。t e 反位起施主作用，而c d 空位是受主，施主与受主在 c d z n t e 中的浓度与z n 的含量有关【1 7 j 埔】。h l 或刖在一族化合物半导体中是 起施主作用的杂质，用来补偿c d 空位，形成杂质与缺陷相结合构成的电中性复合 体，减小c d 空位受主浓度，提高p 型c d z n t e 的电阻率。 1 2 2c d z n t e 的应用 c d z n t e 目前最主要的用途集中在两个方面，一是衬底材料，一是探测器材料。 调整锌的含量可使c d z n t e 的晶格常数连续可调，可以实现与h g c d t e 等外延 生长材料的完全晶格匹配，所以可以用作外延生长薄膜材料的衬底材料。而且由 于c d z n t e 具有较高的红外透过率，也被认为是目前外延生长红外探测器材料 h g c d t e 薄膜的最佳衬底【3 j 。 c d z n t e 高能射线探测器可广泛应用于空间物理、放射性物质检测、核安全监 测、x 射线荧光分析、反恐防恐和核医学仪器等方面，并具有其它探测器难以完成 的优点l 。 1 3c d z n t e 表面的研究 c d z n t e 的表面是一个特殊区域，其表面原子结构和电子结构与体态有很大区 别。作为衬底材料表面特性对外延生长有重要影响，而作为探测器材料表面特性 对器件的漏电流和电极的欧姆接触有很大影响，是决定器件性能的关键因素。 一般认为关于表面的研究可以分为三个方面或三个层次( 2 0 j ： ( 1 ) 表面的热力学：它反映的是表面原子集合的性质，包括表面自由能，表 面的吸附、蒸发和生长过程，比表面，表面的浸渍等性质。这是经典的表面化学 和界面化学的内容。 ( 2 ) 表面的原子结构：它研究的是表面原子的有序排布及其中的各种缺陷， 以及它们与表面性质的关系。 ( 3 ) 表面的电子结构：由于晶体点阵在表面上突然被切断，造成了晶体表面 上电子分布的特殊性。表面电子结构影响着以至规定了表面原子的电离、电子发 射、电荷迁移、表面原子与吸附分子间的化学键，以及表面上化学反应等方面的 性质。 本文将重点研究c d z n t e 表面成分、表面原子结构和表面电子结构。 1 - 3 1 表面成分以及研究方法 表面成分主要与三个方面的因素有关，表面吸附，杂质的表面偏析，以及表 面成分的化学计量比失衡。 由于表面不可避免地与空气接触，所以气体在表面的吸附对表面成分有着重 要的影响。气体吸附主要以两种方式存在，一种是物理吸附，一种是化学吸附。 吸附是由于当气体分子撞击固体表面时，绝大多数的分子发生能量损失，在表面 上停留一个较长的时问( 1 0 4 一lo - 3 s ) ，这个时间比原子振动时间( 1 0 0 2s ) 要长得多。 这样分子就可能完全损失掉它们的动能，以至它们不再能脱离固体表面，从而被 表面所吸附。当吸附分子与表面原子间的偶极一偶极、诱导偶极之间的范德华力以 及其他短程作用力为主要作用时发生的是物理吸附( p h y s i c a la d s o r p t i o n ) 。这些作用 力的大小与分子与表面的距离的三次方或六次方成反比。物理吸附可以是单分子 层吸附，也可以是多层吸附，吸附层可以达到几个分子厚度。一般来说，物理吸 附没有选择性，任何气体在任何固体表面上都可以发生。物理吸附的速度极快， 通常是在几秒到几分钟内即可到达平衡。物理吸附很容易通过真空条件下加热固 体表面去除，所以一般的真空蒸镀设备即可以去除表面的物理吸附。当在c d z n t c 上沉积金属薄膜时，可以先对样品进行预热处理，以去除表面的物理吸附杂质。 如果被吸附分子与固体表面原子之间有部分的或者完全的电子转移，那么吸附分 子被较强的静电力束缚在表面原子上，二者之间的作用能跟它们之间的距离的一 次方成反比。这种吸附叫做化学吸附( c h e m i s o r p t i o n ) 。化学吸附的热效应约为 1 5 1 5 0 k c a o l ，相当于化学结合能，通过减压和加热不能使化学吸附的分子解吸。 化学吸附的强弱与表面状态有很大关系。要去除表面的化学吸附，获得更加清洁 的c d z n t e 表面，通常需要在超高真空条件下进行离子刻蚀。但是离子刻蚀会造成 表面的损伤，所以还需要进行长时间的保温退火，以获得无损伤的晶体表面“【2 ”。 由于离子刻蚀的选择性，往往会造成表面成分化学计量比的失配，在c d z n t e 表面 上形成富c d ( z n ) 或者富t e 的表面。造成化学计量比失配的原因还有多种，如 两北t 业大学博f 学位论文 不同组分原子的蒸气压不同造成表面原子向真空中扩散的程度不同：不同的表面 处理工艺，如抛光、腐蚀或者钝化等也会造成表面原子化学计量比的失配。另外， c d z n t e 本身的极性也对表面成分有着明显的影响。这方面的研究已经比较深入， 汪晓芹等【2 2 】总结了表面成分偏析与表面处理的关系。表面的杂质偏析主要是由表 面能或者表面活性导致杂质原子在表面区域的偏析或者耗尽形成的。本文