基于朗繆爾探針的硅離子空間分布特性及納米晶粒生長(zhǎng)過程研究

1、1 引言1.1 脈沖激光燒蝕制備si基納米材料的研究背景及其意義納米材料具有優(yōu)越的光電學(xué)性能，在太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域有廣泛的前景 。1-4由于硅材料具有優(yōu)越的物理與化學(xué)性能、儲(chǔ)量豐富、不污染環(huán)境等特點(diǎn)，成為電子工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的材料。因此，si基納米材料研究是科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。5-8在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，納米si結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)納米si發(fā)光的關(guān)鍵，通過控制納米si結(jié)構(gòu)的尺寸和其薄膜的厚度就可以提高光電轉(zhuǎn)化的效率。人們已經(jīng)掌握一些制備方法，如熱絲化學(xué)氣相沉積、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、化學(xué)氣相沉積及脈沖激光燒蝕等技術(shù)制備出了納米硅晶粒。近年來(lái)人們運(yùn)用脈沖激光燒蝕法實(shí)施到si基納米材料領(lǐng)域，已經(jīng)得到了很大的進(jìn)展。

2、在理論研究方面，在1996年，yoshida9等科學(xué)人員研究了pla技術(shù)所制備的納米si晶粒的環(huán)境氣體壓強(qiáng)與平均尺寸的關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，納米si晶粒的尺寸正比于環(huán)境氣體壓強(qiáng)的三分之一次方，并用慣性流體模型對(duì)這個(gè)結(jié)果進(jìn)行了合理解釋。在1998年，lukyanchuk等科學(xué)人員利用z-r理論研究了pla過程，氣相成核制備納米si晶粒時(shí)，成核溫度隨著初始燒蝕粒子的溫度及密度的變化，對(duì)成核時(shí)間變量進(jìn)行了計(jì)算。所以，此成核機(jī)理支持該實(shí)驗(yàn)，有利于科學(xué)人員找到實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以制備出晶粒平均尺寸及密度分布可控的納米si材料。然而，很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制所制備出納米si晶粒的密度分布和尺寸。納米晶粒的形成同其長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)過

3、程密切相關(guān)。因此，想要制備出這種納米si晶粒，就必須研究納米si晶粒成核與長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)過程，納米si晶粒成核與長(zhǎng)大的熱力學(xué)條件是最基本的研究要求。運(yùn)用pla技術(shù)制備出的納米si晶粒，經(jīng)過成核與長(zhǎng)大兩個(gè)過程形成的燒蝕粒子納米si晶粒，其中成核過程與長(zhǎng)大過程分別決定了晶粒的量與晶粒的尺寸。因此，若要實(shí)現(xiàn)制備數(shù)量及尺寸可控制的納米si晶粒，則必須設(shè)法控制成核和長(zhǎng)大過程。溫度和密度決定了晶粒的成核與生長(zhǎng)。在熱力學(xué)條件方面有待于進(jìn)一步的研究。朗繆爾探針是最早與最常用的診斷工具。早在1924年，就有科學(xué)人員發(fā)明了朗繆爾探針并有深層次的研究。在1971年，學(xué)者koopman利用朗繆爾探針對(duì)脈沖激光燒蝕等離子

4、體研究，得出了在真空的條件下激光燒蝕固體靶材產(chǎn)生的等離子體中電子離子的溫度范圍及其密度。97年，wood等人就利用朗繆爾探針，研究了ar和he環(huán)境氣體中激光燒蝕si靶產(chǎn)生的等電子與離子的羽輝輸運(yùn)過程，發(fā)現(xiàn)了羽輝的劈裂情形，而且利用多次散射理論對(duì)羽輝的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了理論模擬，所得的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本完全符合。2012年，kumari等科學(xué)人員利用平面朗繆爾探針，研究了在真空環(huán)境中激光燒蝕紅寶石時(shí)產(chǎn)生的等離子體羽輝中的密度及電子溫度的分布狀況，并得出了電子和離子二者速度。總而言之，人們將朗繆爾探針應(yīng)用在等離子體的診斷，已經(jīng)獲得了極大的進(jìn)步。這些工作僅僅研究了等離子體的部分參數(shù)，但沒系統(tǒng)地研究

5、等離子體各種參數(shù)的規(guī)律，也沒有與燒蝕粒子氣相成核與生長(zhǎng)，就更沒對(duì)等離子體參數(shù)與納米顆粒尺寸的關(guān)系進(jìn)行深層研究。1.2 朗繆爾探針診斷脈沖激光燒蝕等離子體的研究現(xiàn)狀作為測(cè)量等離子體特性的一種診斷工具朗繆爾探針（langmuir probe），在等離子體診斷中仍被經(jīng)常使用。irving langmuir在1924年發(fā)明了朗繆爾探針，并提出了電流的收集理論。10-11hopwood、godyak和f.f.chen等人也對(duì)朗繆爾探針診斷技術(shù)做了深入的研究。12-22朗繆爾探針（langmuir probe）由于自身具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)計(jì)合理、方便使用、檢測(cè)到的結(jié)果精確，而被普遍應(yīng)用于各類等離子體的診斷

6、中。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)朗繆爾探針的研究在不斷地突破，并發(fā)現(xiàn)可以在脈沖激光燒蝕等離子體中運(yùn)用朗繆爾探針進(jìn)行檢測(cè)和診斷。美國(guó)著名學(xué)者koopman23在1971年，開始對(duì)運(yùn)用朗繆爾探針對(duì)脈沖激光燒蝕等離子體進(jìn)行診斷的研究，并得出重要的結(jié)果，即真空狀態(tài)下的，利用激光燒蝕固體靶材，對(duì)該過程中所產(chǎn)生的等離子體的電子和離子的密度以及溫度，進(jìn)行分別記錄和綜合分析，最后得出該密度及溫度的范圍值。此后，在koopman研究基礎(chǔ)上，hendron24將真空環(huán)境限定在510-5torr內(nèi)，再次使用激光燒蝕cu靶，運(yùn)用朗繆爾探針進(jìn)行分別檢測(cè)，對(duì)該過程中產(chǎn)生的電子的溫度和密度進(jìn)行計(jì)算，最后發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的電子，隨

7、著時(shí)間的延長(zhǎng)，其溫度和密度在不斷地減少。并且就檢測(cè)結(jié)果而言，可知，與法拉第杯和光學(xué)發(fā)射譜所測(cè)的結(jié)果有一定的相似性。同時(shí)，wood也在運(yùn)用朗繆爾探針研究激光燒蝕si靶。但不同的是wood是在he和ar環(huán)境氣體中對(duì)產(chǎn)生的等離子羽輝的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)羽輝在輸運(yùn)的過程中，易出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。因此，wood結(jié)合多次散射理論，進(jìn)行了多次的模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)每次檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析后，發(fā)現(xiàn)所得的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)幾乎完全符合。weaver也在同一時(shí)期利用朗繆爾探針對(duì)真空中激光燒蝕cu靶進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)探針的伏安屬性進(jìn)行詳細(xì)記錄后，制成了曲線圖表，便于發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，等離子體產(chǎn)生的電子的數(shù)密度計(jì)溫度的不同時(shí)間段內(nèi)的變

8、化規(guī)律，最終提出如何快速、準(zhǔn)確地綜合分析等離子體診斷獲得的電子參數(shù)。此外，hansen創(chuàng)造了劉濤動(dòng)力學(xué)的模型，運(yùn)用于真空脈沖激光燒蝕ag等離子體的探測(cè)領(lǐng)域，在此模型的基礎(chǔ)上，對(duì)所得到的溫度及離子的通量進(jìn)行空間和時(shí)間上的分布，與之前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、分析。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人類對(duì)利用朗繆爾探針技術(shù)的研究并未中斷，甚至獲得了較大的理論研究成果。toftmann也是在真空中對(duì)激光燒蝕ag等離子體羽輝中電子和離子的溫度以及密度的角度進(jìn)行研究和分析。分析其研究結(jié)果可知，在羽輝軸線上的等離子體的密度最大，在最大的離子通量時(shí)刻（5s），離子密度和電子密度均隨著偏離羽輝軸線角度（550范圍內(nèi)）的增大而減??；

9、而在延遲時(shí)間為15s時(shí)，二者隨著角度的增大先迅速增大，然后緩慢減小。之后，在2005年，doggeet就開始采用平面探針的技術(shù)，針對(duì)激光燒蝕ag靶的過程中產(chǎn)生的等離子體羽輝的形狀、離子能量分布以及電子溫度進(jìn)行分別探測(cè)，尋找變化規(guī)律，并首次提出等熵模型更適用于電子溫度小于12ev的低溫等離子體。2012年，kumari25等人利用平面朗繆爾探針，研究了真空中激光燒蝕紅寶石時(shí)，產(chǎn)生的等離子體羽輝中電子溫度和粒子密度的空間分布，并計(jì)算得到了電子速度和離子速度。總之，人們將朗繆爾探針應(yīng)用于脈沖激光燒蝕等離子體的診斷，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。盡管，學(xué)者已經(jīng)對(duì)脈沖激光燒蝕等離子體的部分參量進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的

10、研究，但是從等離子體診斷或者動(dòng)力學(xué)研究的整個(gè)發(fā)展水平來(lái)看，目前并沒有全面、系統(tǒng)地研究等離子體各個(gè)參量的變化規(guī)律，而且也沒有與燒蝕粒子氣相成核與生長(zhǎng)，形成納米薄膜的動(dòng)力學(xué)過程相聯(lián)系，更沒有對(duì)等離子體參量與形成納米顆粒（或納米晶粒）尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究。1.3 本工作的研究?jī)?nèi)容及其意義 本課題組對(duì)納米si晶薄膜進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)方面，研究了多種實(shí)驗(yàn)參量對(duì)納米晶粒的面密度分布及尺寸的影響；理論方面，利用類平拋運(yùn)動(dòng)結(jié)合慣性流體模型，外加直流電場(chǎng)，準(zhǔn)確的確定了不同環(huán)境氣體混合比例下的成核區(qū)的分布26情況。然而，所確定的只是成核區(qū)的空間位置及其范圍，仍然無(wú)法定量的確定納米si晶粒成核與生長(zhǎng)的物理?xiàng)l件。采用

11、普遍的pla技術(shù)，在壓強(qiáng)為10pa的ar氣體環(huán)境中，調(diào)定脈沖重復(fù)頻率為3赫茲，激光能量密度分為（2jcm-2、3jcm-2和4jcm-2）三檔，加入直流電場(chǎng)，將單晶si水平放置于燒蝕點(diǎn)正下方1.5cm處，以制備納米si晶薄膜。利用x射線衍射儀、拉曼散射儀和掃描電子顯微鏡分別對(duì)納米si晶薄膜表面特征和微觀特征進(jìn)行研究分析。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和參量，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)方程組確定成核區(qū)的分布情況。同時(shí)，利用朗繆爾探針初步確定納米si晶粒成核與生長(zhǎng)所需要的離子的密度溫度范圍，并給出密度溫度與納米晶粒尺寸的關(guān)系。2 基本原理、實(shí)驗(yàn)裝置與樣品檢測(cè)及等離子體診斷2.1 脈沖激光燒蝕沉積的基本原理脈沖激光燒蝕，又稱pla（

12、pulsed laser ablation），是借助于脈沖激光束促使選定的靶材從表面蒸發(fā)，進(jìn)而在襯底上沉積薄膜的一種方法。使用脈沖激光束，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的聚焦，使其在靶材的表面進(jìn)行高溫熔化，最終實(shí)現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，將燒蝕的產(chǎn)物沿著靶面法線方向進(jìn)行傳輸，通過在傳輸過程中，與環(huán)境氣體發(fā)生碰撞而氣相成核，并最終在襯底上沉積而形成薄膜。一般而言，脈沖激光燒蝕沉積的物理過程分為三個(gè)部分：（1）激光束與靶材表面相互作用產(chǎn)生等離子體羽輝的過程；（2）燒蝕粒子的傳輸以及納米晶粒的形成過程；（3）納米晶粒落在襯底并形成薄膜的過程。2.2 實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)過程及樣品檢測(cè)2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置脈沖激光燒蝕沉積實(shí)驗(yàn)該裝置主要由準(zhǔn)

13、分子激光器、光路系統(tǒng)、沉積系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和診斷系統(tǒng)組成。下圖2-1為脈沖激光燒蝕沉積制備薄膜和監(jiān)測(cè)制膜沉積過程中等離子體參量的實(shí)驗(yàn)裝置，具體包括：診斷系統(tǒng)、供氣、抽氣和沉積系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和激光器及光路系統(tǒng)。圖2-1脈沖激光燒蝕沉積制備薄膜和監(jiān)測(cè)制膜沉積過程中等離子體參量的實(shí)驗(yàn)裝置2.2.2 實(shí)驗(yàn)過程及樣品檢測(cè)(1)實(shí)驗(yàn)過程本次實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程由薄膜制備和等離子體診斷兩部分組成。實(shí)驗(yàn)過程具體如圖2-2所示：襯底清洗、安裝 系統(tǒng)抽真空、激光器預(yù)熱 通入環(huán)境氣體、沉積薄膜關(guān)機(jī)關(guān)機(jī)探針安裝 系統(tǒng)抽真空、激光器預(yù)熱 通入環(huán)境氣體、采集i-v曲線(a) 薄膜制備實(shí)驗(yàn)過程 (b) 等離子體

14、診斷實(shí)驗(yàn)過程 圖2-2實(shí)驗(yàn)過程（2）樣品檢測(cè)本文用到的檢測(cè)儀器包括對(duì)表面形貌進(jìn)行表征的掃描電子顯微鏡（sem）以及對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的拉曼散射(raman)儀和x射線衍射(xrd)儀。2.3 等離子體的朗繆爾探針診斷將朗繆爾探針運(yùn)用到等離子的診斷中，主要依據(jù)是運(yùn)用探針附近的靜電場(chǎng)與等離子體的相互作用而引起的電荷重新分布所形成的探針電流變化。移動(dòng)朗繆爾探針位置可獲得等離子體各種參量的空間分布。2.3.1 朗繆爾探針的結(jié)構(gòu)本實(shí)驗(yàn)選用英國(guó)hiden analytical公司生產(chǎn)的espion型朗繆爾探針系統(tǒng)，其探針系統(tǒng)包括：朗繆爾探針、espsoft27軟件、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)步進(jìn)控制系統(tǒng)等。espsof

15、t軟件可以控制掃描并得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。下圖為hiden產(chǎn)espion 型朗繆爾探針系統(tǒng)示意圖，如圖2-3所示：圖2-3espion型朗繆爾探針系統(tǒng)示意圖espion型朗繆爾探針的針尖使用金屬鎢，由陶瓷材料構(gòu)制而成。其形狀為圓柱形的針尖（針尖長(zhǎng)10毫米，直徑是0.15mm），探針的表面積有4.73mm2。探針針尖與步進(jìn)真空波紋管相連，可以伸縮且伸縮最大距離是300 mm。步進(jìn)馬達(dá)可精確控制探針的位置。該探針?biāo)軠y(cè)量的電子（離子）密度范圍為10141019m-3，電子溫度最大可達(dá)到10ev，它的掃描電壓和電流范圍分別為-200v100v和20a1a。整個(gè)探針系統(tǒng)的運(yùn)行都是由安裝在計(jì)算機(jī)上的espsof

16、t軟件操控完成的。下圖為espion型朗繆爾探針結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2-4所示： 圖2.3 espion型朗繆爾探針結(jié)構(gòu)示意圖 圖2-4espion型朗繆爾探針結(jié)構(gòu)示意圖2.3.2 朗繆爾探針的工作原理朗繆爾探針診斷的本質(zhì)是通過改變伸入等離子體中的朗繆爾探針的電壓而收集隨之改變的電流，后記錄朗繆爾探針電壓與電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以此得到探針的伏安（i-v）特性曲線。之后對(duì)此進(jìn)行分析取得等離子體的主要特征參數(shù)。下圖2-5為探針測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-5朗繆爾探針測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 探針的伏安（i-v）特性，探針電流ip隨著探針的偏置電壓vp變化的函數(shù)關(guān)系。在朗繆爾探針處于回路斷開（懸浮狀態(tài)）時(shí)，到達(dá)

17、該探針的電子數(shù)多于離子數(shù)，使探針與等離子體之間產(chǎn)生負(fù)值電位差。在探針附近的離子數(shù)與電子數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，其表面的電位（懸浮電位vf）不再變化。在朗繆爾探針處于回路閉合（工作狀態(tài)）時(shí)，探針與等離子體之間的電壓降到vp-vsp（vsp為等離子體空間電位）的鞘層。在vp-vsp不等于vf時(shí)，就會(huì)有電流通過，其電流。根據(jù)調(diào)節(jié)加在探針上的偏置電壓，就可得到探針電流ip隨探針電壓vp變化的函數(shù)關(guān)系，我們稱為探針的伏安（i-v）特性。下圖2-6為理想的朗繆爾探針的i-v特性曲線。圖2.5 理想的朗繆爾探針的i-v特性曲線圖2-6理想的朗繆爾探針的i-v特性曲線這朗繆爾探針的i-v特性曲線分成、三個(gè)區(qū)域。區(qū)：

18、稱為飽和離子電流區(qū)。在飽和離子電流區(qū)內(nèi)，（vsp為等離子體空間電位）vp-vsp0。由于受到拒斥場(chǎng)的作用，電子不能達(dá)到朗繆爾探針表面，而離子被加速。因此，探針電流ip為離子電流： （2-1） 區(qū)：稱為過渡區(qū)。在過渡區(qū)內(nèi)，vp-vsp0。電子受到鞘層拒斥場(chǎng)的作用，但有部分電子能克服拒斥場(chǎng)的作用而到達(dá)探針，離子也被加速。探針電流ip： （2-2）區(qū)：稱為飽和電子電流區(qū)。在飽和電子電流區(qū)內(nèi)，vp-vsp0。離子受到拒斥場(chǎng)的作用而不能到達(dá)探針，電子仍被加速。探針電流ip： （2-3）2.3.3 由朗繆爾探針i-v特性曲線獲取等離子體參量由oml理論可知，軌道運(yùn)動(dòng)限制電流i與成正比，因此i2-v曲線是一

19、條直線。根據(jù)已知的探針的i-v特性曲線，作出i2-v曲線圖。根據(jù)圖2-7可知，該曲線中的飽和離子電流區(qū)近似直線，并由此作出一條直線，進(jìn)行擬合，得到斜率，然后利用以下計(jì)算式即可得到離子密度ni： （2-4） 其中m為相對(duì)原子質(zhì)量，ap為探針的有效收集表面積，單位是m2。 圖2.6 擬合過程中探針的i2-v曲線圖2-7擬合過程中探針的i2-v曲線由此，可以得出電子密度ne： （2-5） 其中ieo的單位是安培（a），ap為探針的有效收集表面積，單位是m2，電子溫度te的單位是ev，故可求得電子密度ne，其單位是m-3。因此，根據(jù)朗繆爾探針的i-v特性曲線，可以推出離子速度vi、離子通量f、離子密度

20、ni等等離子體參量。3 納米si晶粒生長(zhǎng)熱力學(xué)條件的確定3.1 成核區(qū)的確定 本實(shí)驗(yàn)是在激光能量密度為2jcm-2下納米si晶粒生長(zhǎng)熱力學(xué)條件的確定下進(jìn)行的，其激光能量密度為2jcm-2，脈沖重復(fù)頻率為3 hz，外加直流電壓分別為37.5v、75v和150v，用激光燒蝕單晶si靶需要10 pa的ar環(huán)境氣體，并且對(duì)室溫的單晶si襯底制備納米si薄膜，進(jìn)行4min沉淀；對(duì)玻璃襯底制備納米si薄膜，進(jìn)行沉淀3h。根據(jù)所做實(shí)驗(yàn)，可知：（1）37.5v電壓條件下單晶si襯底上的sem圖像和玻璃襯底上的raman圖譜和xrd圖譜。 （a） （b） （c） （d） （e） （f） （h） （i） （j）圖

21、3-1激光能量密度為2jcm-2，外加電壓為37.5v條件下所制備樣品的sem圖像根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，圖片(a)(j)所測(cè)各點(diǎn)與靶面的距離分別為0.8cm、0.9cm、1.1cm、1.5cm、1.9cm、2.3cm、2.7cm、2.9cm和3.0cm。由圖3-1可以看出，圖像（a）和（j）中并沒有顯示有納米顆粒的形成，其他襯底圖像都呈現(xiàn)有納米顆粒的開始出現(xiàn)和最后結(jié)束的位置表現(xiàn)，一般在0.92.9cm范圍內(nèi)形成納米顆粒。這充分表明在襯底上納米顆粒形成的范圍是與靶間距在0.9cm2.9cm內(nèi)。圖3-2玻璃襯底上樣品的raman圖譜和xrd圖譜由圖3-2可知，制備的薄膜中有納米si晶粒的形成過程，因?yàn)?/p>

22、raman的普峰值都與單晶si特征峰相偏離，根據(jù)普峰位的相對(duì)頻移，可以計(jì)算出晶粒的尺度。這表明，raman譜線峰位與靶距離有直接關(guān)系，先隨靶距離的增加向右轉(zhuǎn)向特征峰，之后在向左轉(zhuǎn)，即晶粒的尺寸在增大后減少的趨勢(shì)。同理，xrd譜線所沉淀的薄膜也顯示有納米晶粒的形成，根據(jù)相關(guān)的公式，也可以計(jì)算出晶粒的尺寸范圍。xrd圖譜中納米si晶粒的尺寸也隨著靶距離的增加在先增大在變小。（2）75v電壓條件下的單晶si襯底上樣品的sem圖像，如下圖3-3所示： （a） （b） （c） （d） （e） （f） （h） （i）圖3-375v電壓條件下的單晶si襯底上樣品的sem圖像針對(duì)上述sem圖像，各點(diǎn)與靶面的距

23、離各不相同，所測(cè)的各個(gè)點(diǎn)與靶面的距離分別是0.7cm、0.8cm、1.1cm、1.5cm、1.9cm、2.3cm、2.7cm和2.8cm。（3）150v電壓下si襯底上樣品的sem圖像，如下圖3-4所示： （a） （b） （c） （d） （e） （f） (h) (i) （j） 圖3-4150v電壓下si襯底上樣品的sem圖像 針對(duì)上述sem圖像，各點(diǎn)與靶面的距離各不相同，所測(cè)的各個(gè)點(diǎn)與靶面的距離分別是0.5、0.6、1.0、1.4、1.8、2.2、2.6、2.9和3.0（單位為cm）。因此，綜上所述，加當(dāng)外加電壓為75v和150v時(shí)，襯底上沉積的納米si晶粒開始出現(xiàn)和最后結(jié)束的位置分別為0.8

24、cm2.7cm和0.7cm2.6cm。對(duì)于在對(duì)激光能量密度為2jcm-2條件下，當(dāng)外加電壓分別為37.5v、75v和150v時(shí)，對(duì)納米si晶粒的形成位置進(jìn)行概括，以不同電壓下所制備樣品的sem圖像為基礎(chǔ)，可得到納米si晶粒的尺寸變化與靶距離之間的趨勢(shì)變化，如圖3-5所示：圖3-5不同外加電壓下所沉積納米si晶粒的平均尺寸與到靶距離的變化情況在激光能量密度為2jcm-2，當(dāng)外加電壓為37.5v的時(shí)，所沉積納米si晶粒的平均尺寸與靶間距的變化規(guī)律是：先增大后減小，在距離靶1.5cm處納米si晶粒達(dá)到最大，此時(shí)最大的平均尺寸為5.22nm，這與從xrd圖譜和raman圖譜得到的規(guī)律是完全一致的。同樣

25、，在75v和150v的外加電壓的條件下所制備樣品的sem圖像做同樣的統(tǒng)計(jì)，也可以得到了類似的規(guī)律。只是隨著外加電壓的增大，襯底上納米si晶粒開始出現(xiàn)和最后結(jié)束的位置都有所提前，并且納米si晶粒的最大平均尺寸都有所增大，分別為5.38nm和5.47nm。引入外加電壓（電場(chǎng)）后，兩極板間空間電場(chǎng)可視為均勻場(chǎng)強(qiáng)。由于大多數(shù)的燒蝕粒子帶正電，在外加電場(chǎng)力的作用下，向電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的粒子數(shù)目增多，燒蝕粒子發(fā)生碰撞的次數(shù)也相對(duì)增多，使更多的燒蝕粒子凝聚成核并長(zhǎng)大形成一個(gè)納米晶粒，從而使形成的納米si晶粒的平均尺寸變大。隨著外加電壓（電場(chǎng)）的增大，向電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的粒子數(shù)目急劇增多，燒蝕粒子發(fā)生碰撞的程度加劇，

26、從而使形成的納米si晶粒的平均尺寸進(jìn)一步增大。考慮到納米si晶粒向襯底傳輸過程中的類平拋運(yùn)動(dòng)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，在同一成核位置處形成的納米si晶粒，其傳輸至襯底所需要的時(shí)間縮短；同時(shí)由于粒子在水平方向的速度不會(huì)受電場(chǎng)的影響，從而使得其水平方向的位移減小。這就使得更多的納米si晶粒提前落在襯底上，從而襯底上納米晶粒的沉積范圍提前。因此，上述實(shí)驗(yàn)可以得出，激光能量密度為3jcm-2條件下納米si晶粒成核區(qū)在0.43cm2.95cm范圍內(nèi)，成核區(qū)的寬度范圍為2.52cm，燒蝕粒子的阻尼系數(shù)a=9.8610-25 kgm-1，cv0si=1624ms-1。3.2 納米si晶粒生長(zhǎng)熱力學(xué)條件的確定選用

27、英國(guó)hiden analytical公司生產(chǎn)的espion型朗繆爾探針系統(tǒng)，將探針電壓課掃描的范圍控制在-30v至50v，掃描的步長(zhǎng)為0.25v。為了減少檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)的測(cè)量點(diǎn)重復(fù)安排了10次。將燒蝕粒子設(shè)置在垂直于靶面的方面上一定的靶襯間距范圍內(nèi)成核，再進(jìn)一步長(zhǎng)大，進(jìn)而形成納米si晶粒。在不引入外加電場(chǎng)的情況下，將所形成的納米si晶粒經(jīng)平拋運(yùn)動(dòng)，在重力的作用下，運(yùn)達(dá)到襯底。根據(jù)納米si晶粒的平拋運(yùn)動(dòng)，結(jié)合成核區(qū)動(dòng)力學(xué)方程和上述實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)表3-1，可計(jì)算得到沉積在不同靶襯間距水平襯底上的納米si晶粒所對(duì)應(yīng)的空間成核位置。表3-1納米si晶粒沉積位置、平均尺寸與其對(duì)應(yīng)成核位

28、置的關(guān)系襯底上晶粒的沉積位置/cm0.91.11.51.92.32.73.0晶粒的平均尺寸/nm4.484.825.195.024.734.514.22對(duì)應(yīng)的空間成核位置/cm0.570.811.251.642.012.392.65借助驅(qū)動(dòng)馬達(dá)將探針固定在上述實(shí)驗(yàn)的成核位置，在激光燒蝕單晶si靶實(shí)驗(yàn)中，分貝就不同成核位置處探針的i-v特性，制作不同階段的曲線，將形成的等離子體的溫度及密度分別計(jì)算。在0.57cm的成核位置處，可知探針的i-v特性曲線的選通延遲時(shí)間取為6s，針對(duì)燒蝕粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，分別確定成核的位置為0.81cm、1.25cm、1.64cm、2.01cm、2.39cm和2.65c

29、m，并發(fā)現(xiàn)探針的i-v特性曲線此時(shí)分別所對(duì)應(yīng)的選通延遲時(shí)間應(yīng)分別取7.7 s、11.1s、14.4s、17.8s、21.6s和24.4s。本實(shí)驗(yàn)采用英國(guó)hiden analytical公司生產(chǎn)的espion型朗繆爾探針系統(tǒng)，因此，延遲時(shí)間只能取整數(shù)（以s 計(jì)算）。所以，hiden analytical公司生產(chǎn)的espion型朗繆爾探針系統(tǒng)要采集i-v特性曲線，對(duì)以上延遲時(shí)間做近似處理，分別近似取為8s、11s、14s、18s、22s和24s。 圖3-6激光能量密度為2jcm-2條件下不同成核位置處探針的i-v特性曲線根據(jù)上述圖像，可知不同成核位置處采集到的探針的i-v特性曲線，通過對(duì)曲線擬合得

30、到不同成核位置處的離子密度n的大小，同時(shí)利用探針espsoft軟件對(duì)i-v特性曲線擬合還能得到離子通量。表3-2成核區(qū)位置及其相應(yīng)粒子密度和溫度關(guān)系阻尼系數(shù)/ kgm-1沉積位置/cm成核位置/cm離子溫度/k離子密度/ m-31.0310-240.90.5139548.3010173.02.6714895.901016在激光燒蝕制備納米si晶粒的實(shí)驗(yàn)過程中，燒蝕粒子（主要是離子）的成核率n與環(huán)境氣體分子密度nar、離子的溫度t以及密度n的函數(shù)，即n=(t,n,nar)。其中，溫度在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中起著決定性的作用；而離子密度也是一個(gè)重要因素。當(dāng)形成的離子密度過低時(shí)，無(wú)法凝聚成核；環(huán)境氣壓恒定時(shí)

31、，可認(rèn)為環(huán)境氣體密度是恒定的。同樣在成核以后，晶粒的生長(zhǎng)率v也是以上三個(gè)因素的函數(shù)，即v=v(t,n,nar)。由此可見，離子的溫度和密度對(duì)納米si晶粒的成核與生長(zhǎng)過程起著重要作用。在確定離子密度對(duì)納米si晶粒成核的影響之前，還要確保離子溫度達(dá)到成核所需要的溫度范圍。通過熱動(dòng)力學(xué)方程可以得到離子的速度v，從而進(jìn)一步得到離子溫度。假設(shè) （3-1） 由此可以得到： （3-2） 其中為成核位置處離子的溫度；k為波爾茲曼常數(shù)；m為離子的質(zhì)量，此處取si原子的質(zhì)量，即；v為離子的速度。由此得出，當(dāng)激光能量密度為2jcm-2條件下，納米si晶粒氣相成核與長(zhǎng)大所需的離子密度和溫度范圍分別為5.9010168

32、.301017m-3和1489k3954k。結(jié) 語(yǔ)待添加的隱藏文字內(nèi)容1本實(shí)驗(yàn)利用脈沖激光燒蝕（pla）的技術(shù)，在壓強(qiáng)為10pa的ar環(huán)境中，將單晶si放置在燒蝕點(diǎn)的正下方1.5cm處，固定脈沖頻率在3 hz，激光能量密度為2jcm-2，引入電場(chǎng)，通過改變激光能量密度，制備出一系列的納米si晶薄膜。本實(shí)驗(yàn)選用英國(guó)hiden analytical公司生產(chǎn)的espion型朗繆爾探針系統(tǒng)，在三種不同電壓下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)參數(shù)，數(shù)值求解成核區(qū)動(dòng)力學(xué)方程組，精確地計(jì)算出成核區(qū)的位置及范圍。采用朗繆爾探針分別對(duì)成核區(qū)內(nèi)不同成核位置處激光燒蝕等離子體的離子的密度和溫度進(jìn)行空間分辨測(cè)量，并可得出當(dāng)激光能量密度

33、為2jcm-2條件下，納米si晶粒氣相成核與長(zhǎng)大所需的離子密度和溫度范圍分別為5.9010168.301017m-3和1489k3954k。本工作所得結(jié)果就納米si晶粒成核與生長(zhǎng)的熱力學(xué)參量范圍及其與納米si晶粒平均尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行深入的分析，有助于進(jìn)一步深化對(duì)脈沖激光燒蝕（pla）的技術(shù)的成核機(jī)理的理解，為制備晶粒尺寸分布可控的高質(zhì)量納米si晶薄膜提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 r. chau, b. boyanov, b. doyle, et al.silicon nano-transistors for logic applicationsj. physica e,2003,19:1

34、5.2l. i. murin, e. a. tolkacheva, v. p. markevich, et al.the oxygen dimer in si: its relationship to the light-induced degradation of si solar cellsj. appl. phys. lett.,2011, 98:182101.3e. garnett, p. yang. light trapping in silicon nanowire solar cellsj. nano. lett., 2010, 10:10821087.4l.paviesi si

35、licon-based light sources for silicon integrated circuitsj. advances in opticaltechnologies, 2008, 2：416926.5a.s.mahamood, m.sivakumar, v.krishnan, et al.enhancement in optical absorption of silicon fibrousnanostructure produced using femtosecond laser ablationj. appl phys lett, 2009, 95：34107.6m. p

36、ark, m. g. kim, j. joo, et al. silicon nanotube battery anodesj. nano.lett., 2009,9(11):38443847.7b. tian, x. zheng, t. j. kempa, et al.coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronicpower sourcesj. nature, 2007, 449:885890.8huang qingju, and chen jianwen. the study of plasma plume induc

37、ed by pulsed laser ablation ofsiliconj. appl phys lett, 2009, 95：91104.9d. soler, m. fonrodona, c. voz, et.al. thin silicon films ranging from amorphous to nanocrystallineobtained by hot-wire cvdj. thin solid films, 2001, 383:189194.10h. mott-smith and i. langmuir. the theory ofcollectors in gaseous

38、 dischargesj.phys. rev., 1926,28: 727763.11i. langmuir and h. mott-smith. a method for plasma measurementj. g. e. rev., 1924,27: 545.12j. hopwood, c. guarnieri, s. whitehair, et.al.langmuir probe measurements of a radio frequency induction plasmaj. j.vac.sci.technol., 1993, a11: 147.13j. hopwood and

39、 qian, f.mechanisms for highly ionized magnetron sputteringj. j. appl. phys.,1995,78(12):75876514v.a. godyak, r.b. piejak, and b.m. alexandrovich. ion flux and ion power losses at the electrode sheaths in a symmetrical rf dischargej. j. appl. phys., 1991, 69(6):34553460.15v. a. godyak, and r. b. pie

40、jak. electromagnetic field structure in a weakly collisional inductively coupled plasmaj. j. appl. phys., 1997, 82(6):59445947.16v. a. godyak, r. b. piejak and b. m. alexandrovich.electron energy distribution function measurements and plasma parameters in inductively coupled argon plasmaj. plasma so

41、urces sci. technol. 2002, 11:525543.17f.f.chen. saturation ion currents to langmuir probesj. j. appl. phys., 1965, 36:675678.18f.f.chen, c. etievant, and d. mosher. measurement of low plasma densities in a magnetic fieldj. phys. fluids, 1968, 11:811821.19i.d.sudit, f.f. chen. rf compensated probes for high-density dischargesj. plasma sources sci. and technol., 1994,3:162168.20f.f.chen. langmuir probe diagnostics, mini-course on plasma diagnosticsj. ieee-icops meeting,jeju, korea, june 5, 2003.21f.f.chen, j.d.evans and w zawalsk