应变加载下Si纳米线电输运性能的原位电子显微学研究.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 11 (2014) 117303 应变加载下Si纳米线电输运性能的原位 电子显微学研究∗ 王疆靖 邵瑞文 邓青松 郑坤† (北京工业大学固体微结构与性能研究所, 北京 100124) ( 2013 年12 月25 日收到; 2014 年2 月23 日收到修改稿) 半导体纳米材料超大的弹性极限使其物理性能具有很宽的调谐范围, 被认为是应变工程理想的研究材 料, 引起了人们广泛的关注. 本研究中, 利用聚焦离子束技术从p 型Si 的单晶薄膜上切割出⟨⟩ 取向的单根 纳米线, 在透射电子显微镜中利用纳米操控系统对其加载弯曲形变, 同时实时监测其电流- 电压曲线的变化, 研究弯曲应变对其电学性能的影响. 结果表明, 随着应变的增大, 纳米线输运性能明显增强, 当应变接近2% 时, 输运性能随应变的提升接近饱和; 当应变达到3% 以后, 输运性能有时会略微下降, 这可能由塑形事件导 致的. 本实验结果可能会对Si 应变工程起到重要的参考意义. 关键词: Si 纳米线, 应变, 塑性形变, 电输运性能 PACS: 73.61.Cw, 77.55.df DOI: 10.7498/aps.63.117303 16 内外许多学者对此也进行了大量的研究 . 1 引 言 随着材料和器件微、纳米化的发展, 人们对应 变调控材料性能的研究越来越关注. 这是由于对 应力/应变的加载会引起材料原子间距的变 于半导体体材料来说, 它们的本征脆性令可加载的 化, 从而影响材料的电子态, 导致能带结构发生变 应力非常有限, 通常小于0.1%, 因此对能带结构的 化, 最终体现在物理性能的改变, 如压电效应、压 改变非常有限. 然而, 纳米材料由于本身缺陷的减 阻效应、压磁效应、压光效应等. 压阻效应是指应 少, 它们可承载的应变大幅提高, 几乎可达到其理 变引起材料阻抗变化的效应, 对于任何材料来说, 论极限, 甚至能够发生弹塑转变及相变79 . 大幅 这个效应都是存在的, 然而对于金属, 这个效应仅 提高的可加载应力, 必然带来性能的巨大差异, 人 限于材料形状变化引起的阻抗的变化, 因此它非 们非常期待纳米材料在应变加载下的奇异表现. 由 常有限; 而对于半导体材料, Smith 等发现这个效 于纳米材料非常小的尺度, 施加应力、探测可靠的 应非常明显, 这是由于应变不仅仅引起形状变化, 物理信号都需要克服非常多的困难, 这需要借助专 更重要的是引起半导体材料能带结构的变化. 基 门的实验仪器及发展相应的测试方法及装置, 是一 于这样的发现, 半导体(尤其是硅) 的压阻效应有了 个非常具有挑战性的工作. 即便如此, 近十年来, 广泛的应用, 除了如各类压阻传感器、惠斯登桥、 越来越多的科学家进行了此方面的研究, 并获得了 X-Ducers、piezo-FETS, 以及双极性晶体管等元件, 非常令人振奋的实验结果1017 . 如Bai 等发现了 另外一个重要的应用是在CMOS 中引入应变, 可 BN 纳米管在应变下能够发生绝缘体到半导体的转 以有效提高其载流子迁移率, 大幅提高器件的性 变11 , Wang 等利用ZnO 纳米