Vervaardiging van SrGe2 dunne films op Ge (100), (110) en (111) substraten

Resultaten en discussie

Afbeelding 1 toont de RHEED en θ –2θ XRD-patronen van de monsters na de Sr-afzetting. Voor alle monsters werden gestreepte of gevlekte RHEED-patronen waargenomen na de Sr-afzetting, wat de epitaxiale groei van Sr−Ge-verbindingen impliceert. Voor de monsters met een Ge (100)-substraat, pieken van Sr₅ Ge₃ verschijnen voor alle T _sub (Fig. 1a−e). Bovendien verschijnen er pieken van SrGe voor T _sub =-600 en 700 ° C (Fig. 1d, e). Alleen het voorbeeld met T _sub = 300 °C vertoont de piek van SrGe₂ (Fig. 1a), het doelmateriaal in dit onderzoek. Afbeelding 1a laat zien dat het voorbeeld met T _sub = 300 °C bevat bij voorkeur [100]-georiënteerde SrGe₂ en [220]-georiënteerde Sr₅ Ge₃ . De piek afgeleid van het substraat, Ge (200), is meer merkbaar voor hogere T _sub . Dit gedrag houdt verband met de oppervlaktedekking van Sr-Ge-verbindingen op het substraat, zoals weergegeven in figuur 2. Voor de monsters met een Ge (110)-substraat zijn er geen andere pieken dan die van SrGe₂ (411) en het Ge-substraat worden waargenomen voor T _sub = 300−600 °C (Fig. 1f−i). De piek van SrGe₂ (411) vertoont de hoogste intensiteit voor T _sub = 500 °C (Fig. 1h), wat suggereert dat het monster met T _sub = 500 °C bevat enkelvoudige samenstelling SrGe₂ met hoge [411] oriëntatie. Voor de monsters met een Ge (111) substraat, de pieken van SrGe₂ verschijnen voor alle T _sub (Fig. 1k−o). De voorbeelden met T _sub = 300, 400, 500 en 700 °C vertonen [110]-georiënteerde SrGe₂ (Fig. 1k–m, o), terwijl de SrGe₂ pieken voor T _sub = 300 en 400 °C zijn vrij breed. De voorbeelden met T _sub = 500 en 600 °C vertonen multi-georiënteerde SrGe₂ (Afb. 1m, n). Bovendien is de kleine piek van Sr₅ Ge₃ (220) verschijnt voor T _sub = 400, 500 en 700 °C (Fig. 1l, m, o). Daarom verandert de groeimorfologie van Sr-Ge-verbindingen op een Ge-substraat dramatisch, afhankelijk van de groeitemperatuur en de kristaloriëntatie van het substraat. Dit gedrag is waarschijnlijk gerelateerd aan de oppervlakte-energie van het Ge-substraat, afhankelijk van de kristaloriëntatie [24] en de balans van de toevoersnelheid van Ge-atomen van het substraat en de verdampingssnelheden van Sr-atomen van het monsteroppervlak.

RHEED en θ –2θ XRD-patronen van de monsters na de Sr-afzetting. De kristaloriëntatie van het Ge-substraat is a e (100), v −j (110), en k o (111). T _sub varieert van 300 tot 700 ° C voor elk substraat. De pieken die overeenkomen met SrGe₂ zijn rood gemarkeerd

SEM-beelden van de monsters na de Sr-afzetting. De kristaloriëntatie van het Ge-substraat is a e (100), v −j , (110), en k o (111). T _sub varieert van 300 tot 700 ° C voor elk substraat. De pijlen in elke afbeelding tonen de kristalrichtingen van de Ge-substraten

Afbeelding 2 toont SEM-afbeeldingen van de monsteroppervlakken. Het is te zien dat de substraten meestal bedekt zijn met Sr−Ge-verbindingen voor T _sub = 300 °C (Fig. 2a, f,k). Voor T _sub =-400, 500 en 600 ° C, kunnen we de unieke patronen waarnemen die de kristaloriëntatie van de substraten weerspiegelen, dat wil zeggen, tweevoudige symmetrie voor Ge (100) (Fig. 2b−d), eenvoudige symmetrie voor Ge (110) ( Fig. 2g−i), en drievoudige symmetrie voor Ge (111) (Fig. 2l−n). Deze patronen zijn ook te zien voor siliciden op Si-substraten [1, 25] en zorgen voor de epitaxiale groei van Sr-Ge-verbindingen op de Ge-substraten. De voorbeelden met T _sub = 700 °C vertonen stippatronen, wat suggereert dat de Sr-atomen snel migreerden en/of verdampten vanwege de hoge T _sub . Deze SEM-resultaten verklaren de gestreepte of gevlekte RHEED-patronen in Fig. 1. Daarom zijn we erin geslaagd om enkelgeoriënteerde SrGe₂ te verkrijgen met behulp van een Ge (110) substraat met T _sub = 500 °C, terwijl voor Ge (100) en Ge (111) substraten, meervoudig georiënteerd SrGe₂ of andere Sr–Ge-verbindingen werden verkregen.

We evalueerden de gedetailleerde dwarsdoorsnedestructuur van het monster met een Ge (110) substraat en T _sub = 500 °C. Om oxidatie van de SrGe₂ . te voorkomen werd een 100 nm dikke amorfe Si-laag op het monsteroppervlak afgezet. Het HAADF-STEM-beeld in Fig. 3a en de EDX-mapping in Fig. 3b laten zien dat de Sr-Ge-verbinding wordt gevormd op bijna het gehele oppervlak van het Ge-substraat. Het vergrote HAADF-STEM-beeld in figuur 3c laat zien dat de Sr-Ge-verbinding in het Ge-substraat graaft, wat een typisch kenmerk is van RDE-groei [17, 18]. Het elementaire samenstellingsprofiel in figuur 3d laat zien dat Sr en Ge bestaan ​​met een samenstelling van 1:2. De resultaten in afb. 1 en 3 bevestigen de vorming van SrGe₂ kristallen.

HAADF-STEM- en EDX-karakterisering van de SrGe₂ dunne film gegroeid op het Ge (110) substraat bij 500 ° C. een HAADF-STEM-afbeelding. b EDX elementaire kaart van de regio getoond in paneel a . c Vergrote afbeelding HAADF-STEM. d Elementsamenstellingsprofiel verkregen door een STEM-EDX-lijnscanmeting langs de pijl in paneel (c )

De helderveld-TEM-afbeelding in figuur 4a en de donkerveld-TEM-afbeeldingen in figuur 4b, c laten zien dat terwijl SrGe₂ epitaxiaal wordt gekweekt op het Ge-substraat, heeft het twee oriëntaties in de richting in het vlak. De rasterafbeelding in Fig. 4d toont duidelijk twee SrGe₂ kristallen (A en B) en een korrelgrens daartussen. Het geselecteerde gebiedsdiffractiepatroon (SAED) in Fig. 4e toont diffractiepatronen die overeenkomen met twee SrGe₂ kristallen (A en B). Figuur 4d, e laat ook zien dat het Ge (111) vlak en het SrGe₂ (220) vlak zijn evenwijdig in elk kristal. Deze resultaten suggereren dat de SrGe₂ kristallen A en B groeiden epitaxiaal uit het Ge (111)-vlak van het substraat en kwamen vervolgens met elkaar in botsing. Er zijn geen defecten, zoals dislocaties of stapelfouten, gevonden in de SrGe₂ naast de korrelgrens. Daarom is SrGe₂ . van hoge kwaliteit kristallen werden met succes verkregen via RDE-groei op een Ge(110)-substraat.

TEM-karakterisering van de SrGe₂ dunne film gegroeid op het Ge (110) substraat bij 500 ° C. een Helderveld TEM-afbeelding. b , c Donkerveld TEM-beelden met de SrGe₂ {220} vlakke reflectie getoond in elk diffractiepatroon. d Rasterafbeelding met hoge resolutie met SrGe₂ Kristallen. e SAED-patroon met de SrGe₂ 〈113〉 zone-as, genomen uit de regio inclusief SrGe₂ kristallen en het Ge-substraat