大气环境下的硅纳米粒子热氧化过程研究.docVIP

  大气环境下的硅纳米粒子热氧化过程研究# 崔浩，王成新** （中山大学物理科学与工程技术学院，广东，510275） 5 10 15 20 25 30 35 摘要：通过观察同一硅纳米粒子在不同时间下的连续氧化情况，我们讨论了硅纳米粒子在大 气环境下的氧化过程。相比于体薄膜硅的氧化，硅纳米粒子表现出了延迟氧化的现象，而 非三维氧化所期待的自限制氧化现象。我们认为，空气中过多的水蒸汽存在而导致湿氧现 象是造成自限制氧化现象消失的主要原因。事实上，三维应力和湿氧现象共同决定了大气 中硅纳米粒子的氧化过程。 关键词：硅纳米粒子；热氧化；自限制氧化 Study on thermal oxidation behavior of silicon nanoparticles under atmospheric environment Cui Hao, Wang Chengxin (School of Physics and Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou, 510275) Abstract: In this paper, the thermal oxidation behavior of silicon nanoparticles under the atmospheric environment had been studied by observed the oxidation states of same nanoparticle at different oxidation time. The silicon nanoparticle only had shown the retarded oxidation process other than the self-limited oxidation. The presence of wet oxides during oxidation process could be responsible for loss of self-limited behavior. In fact, the three-dimensional stress and the wet oxides behavior determined the oxidation process of silicon nanoparticles under the atmospheric environment. Key words: Silicon nanoparticles; Thermal oxidation; Self-limited oxidation 0 引言 硅纳米材料由于与当今体硅材料的集成电路工艺学的兼容性以及优异的光电特性，已经 被认为是下一代微纳光电器件的关键构建单元之一[1,2]。硅纳米粒子（硅量子点）作为一种 零维硅纳米结构，更是受到了人们的广泛关注和研究，到目前为止，硅纳米粒子已经在各种 光电子器件上显示了巨大的应用潜力，如晶体管、传感器、纳米光源和太阳能电池等等[3-6]。 而另一方面，对于硅基的纳米光电子器件的制备，硅纳米材料的热氧化是器件制备工艺中最 重要的科学问题之一[7]。不仅仅硅纳米粒子的氧化能够调节粒子尺寸，更重要的是，热氧化 所得到二氧化硅具有较低的态密度和非常优异的界面，能够作为电子器件中的天然介电层。 值得注意地是，与通常比较厚的体硅氧化过程相比，硅纳米结构的氧化过程表现出了尺 度相关的氧化过程，即出现起始较快氧化过程和稍后的自限制氧化现象 [8-10]。传统的 Deal-Grove 扩散-反应机制根本不能描述这个尺度依赖的的氧化行为[8]。硅纳米粒子（硅量子 点）作为一种零维硅纳米结构，具有巨大的三维曲率效应，其氧化行为体现出了更加明显的 基金项目：教育部博士点基金资助项目(20100171120017) 作者简介：崔浩（1981－），男，讲师，主要研究方向：低维纳米材料的设计与应用 通信联系人：王成新（1968－），男，教授，主要研究方向：低维光电功能材料的设计、应用及理论研究. wchengxin@mail.sysu.edu.cn -1-   尺度依赖特性，同时也使其氧化过程更加的复杂，例如三维应力的累积等等[11,12]。这里，我  40 45 们开展了大气环境下硅纳米粒子的热氧化实验，通过半原位的方法，来观察同一纳米粒子在 不同时间下的连续氧化情况。在我们的实验中，硅纳米粒子并未出现所谓的自限制氧化现象， 而仅仅展示了延迟氧化现象。我们归功该氧化现象为三维氧化应力累积和水蒸气湿氧化过程 的共同作用。我们利用半原位的手段来研究硅纳米粒子在大气环境下的氧化过程，为今后硅 纳米粒子基电子器