Voorbereiding en optische eigenschappen van GeBi-films met behulp van de moleculaire straal-epitaxiemethode

Resultaten en discussie

Afbeelding 1 toont XRD-patronen van de voorbereide Ge_1 − x Bi_x films. Het is te zien dat karakteristieke diffractiepieken die kunnen worden toegeschreven aan GeBi-legeringen in alle MBE-groeimonsters kunnen worden gevonden. Afbeelding 1 toont de XRD-resultaten van de Ge_1 − x Bi_x films gekweekt door MBE zonder thermische behandeling. Alle monsters tonen de diffractiepieken van GeBi-film, terwijl de kristallijne eigenschap van de monsters varieert wanneer het Bi-gehalte (x ) verandert van 0,020 in 0,222. Wanneer het Bi-gehalte laag is (x = 0.020), de Ge_0.980 Bi_0,02 film bleek in de richting (014) te zijn georiënteerd, zie Fig. 1. Met de Bi-inhoud verhoogd tot x = 0.102, naast de (104) piek die zich rond 2θ . bevindt = 38.2 ^o , de (012) piek van GeBi-film rond 2θ = 27.2 ^o begint te verschijnen. Met toenemende Bi-inhoud (x ) van 0,183 tot 0,222, werd de intensiteit van (012) piek dramatisch verhoogd terwijl de (104) piek bijna verdween. Dit geeft de Ge_1 − x . aan Bi_x films met een hoger Bi-gehalte werden bij voorkeur georiënteerd in de richting (012) in plaats van in de richting (104). De verschillende inhoud van Bi had invloed op de microstructuren van de films. Voor de GeBi-films met verschillende Bi-inhouden kan het veranderen van de groeiparameters de voorkeursoriëntatie van de groei beïnvloeden. We speculeren dat vanwege het lage smeltpunt van Bi-atomen, Bi-atomen groepen vormden met Ge-atomen, kristalroosters binnengingen en Ge-Bi-cellen vormden. XRD-resultaten geven aan dat GeBi-films met succes zijn bereid met de MBE-methode en dat hun kristallijne eigenschappen kunnen worden gemanipuleerd door het Bi-gehalte in de Ge_1 − x te veranderen Bi_x films.

XRD-patronen van Ge_1 − x Bi_x film GeBi-films met verschillende Bi-inhoud variërend van x = 0.020 tot x = 0,222

Typische SEM-beelden van de Ge_1 − x Bi_x filmvoorbeelden worden weergegeven in Afb. 2. Toen het Bi-gehalte 2,0% was (x = 0,02), groeide de GeBi-film goed en werd het oppervlak erg glad bevonden, zie Fig. 2a. Toen het Bi-gehalte toenam tot 10,2%, waren er enkele kleine stippen in homogene media, wat de uitdrukking was van het initiële vormingsproces van nieuwe fasen, zie figuur 2b. Vanwege het laagste energieprincipe werden oppervlakkige Bi-atomen gescheiden en geaggregeerd in groepen (grootte 33-42 nm). Toen het Bi-gehalte meer dan 18,3% bereikte, waren er in ieder geval drie fasen in de film, zoals GeBi, amorf Bi en Ge, zie figuur 2c, d. De korrelgrootte van GeBi-films was erg groot, tot ongeveer 1000 nm. De gescheiden Bi- en Ge-deeltjes, met een kleine korrelgrootte in het bereik van 30,7 tot 118,0 nm, werden gevonden tussen de kristalgrenzen van GeBi-korrels. We ontdekten dat, wanneer het Bi-gehalte hoger was dan de vaste oplosbaarheid in de GeBi-legering, overmatige Bi-atomen zouden worden afgezet en Bi-fasen zouden vormen bij de grote korrelgrens bij lage temperaturen. Sommige Ge-atomen, die vanwege de beperking van de lage temperatuur niet met Bi-atomen konden reageren, vormden ook de Ge-fase aan de grote korrelgrens. Desalniettemin had de toename van het Bi-gehalte de voorkeursgroei van GeBi-korrels kunnen bevorderen, en de korrelgroottes veranderden van 42 naar 100 nm, zie Fig. 2b, d.

Typische SEM-patronen van GeBi-films met verschillende Bi-inhouden:a 2,0%; b 10,2%; c 18,3%; en d 20,3%

Afbeelding 3 toont typische AFM-afbeeldingen van de Ge_1 − x Bi_x films met verschillende Bi-gehalten en de Ra-waarde en RMS-waarden zijn samengevat in Tabel 2. Met het toenemende Bi-gehalte namen de Ra-waarde en RMS-waarden drastisch toe, wat wijst op de oppervlakteruwheid van de Ge_1 − x Bi_x films wordt vergroot. Ondertussen waren er enkele onregelmatige pieken in Fig. 3b-d vanwege de heterogene korrelgrootte en kleine korrels in de korrelgrenzen. Wanneer het gehalte aan Bi buitensporig was, was het aantal Bi-atomen dat werd vervangen door Ge-atomen beperkt vanwege de beperking van de vaste oplosbaarheid van Bi in de GeBi-legering. Boventallige Bi-atomen die op de film waren afgezet, maakten de films ruw en hadden een grote invloed op de microstructuur van GeBi-films, wat consistent is met de SEM-resultaten.

AFM-testresultaten van GeBi-films met verschillende Bi-inhouden:a 2,0%; b 10,2%; c 18,3%; en d 20,3%

Afbeelding 4 toont Raman-spectra bij kamertemperatuur van de als gegroeide Ge_1 − x Bi_x films met verschillende Bi-inhouden opgesteld door MBE. Een reeks pieken op ongeveer 190 cm ⁻¹ kan worden toegeschreven aan de Ge-Bi-trillingsmodus. Met toenemend Bi-gehalte werd de Ge-Bi-piek sterker en verschoof naar een hoger golfgetal (cm ⁻¹ ). De verschuiving naar hogere golfgetallen gaf aan dat, met de toename van het Bi-gehalte, de niet-overeenkomende snelheid van roosterconstanten van films en de roosterspanning in GeBi-films toenam. Geconcludeerd kan worden dat Bi-doping een effectieve manier is om de roosterspanning van Ge_1 − x af te stemmen. Bi_x gelegeerde dunne films.

Raman-spectra van GeBi-films met verschillende Bi-inhoud

Afbeelding 5 toont de eigenschappen van het nabij-infrarood van de GeBi-films met verschillende Bi-inhouden. Het absorptiegedrag van de films werd verkregen uit hun reflectiviteit en transmissie-eigenschappen. Zoals getoond in Fig. 5a, met toenemend Bi-gehalte, nam de reflectie van GeBi-films af in het bereik van 1014-2500 nm, wat aangaf dat de absorptie van films toenam. De vallei in het bereik van 1932-1938 nm kan worden toegeschreven aan indirecte bandhiatenabsorptie van de GeBi-films. En de diepte van de energieabsorberende vallei verminderde met het verhogen van het Bi-gehalte. Toen het Bi-gehalte meer dan 20% was, verdween de vallei in het bereik van 1932-1938 nm. Directe bandhiaten van GeBi-films waren in het bereik van 1446-1452 nm; de diepte van het energieabsorberende dal nam ook af met het verhogen van het Bi-gehalte. Toen het Bi-gehalte hoger was dan 20,3%, verdween de vallei in het bereik van 1446-1452 nm. Concluderend, de toename van het Bi-gehalte vermindert de reflectie van GeBi-films, verhoogt de extinctiecoëfficiënt en zorgt ervoor dat de gereflecteerde amplituden uiteindelijk afnemen. Zoals weergegeven in figuur 5b, was er een buigpunt bij ongeveer 1020 nm (1,22 eV), wat werd toegeschreven aan de verboden bandgap van Si bij 1,12 eV. Wanneer de golflengte kleiner was dan de waarde van het buigpunt, was de transmissie van GeBi-films en het Si-substraat klein. In het bereik van 1020-2500 nm nam de transmissie toe met de toegenomen golflengte. Toen het Bi-gehalte echter toenam van 18,3 naar 22,2%, nam de transmissie af. In het bereik van 800-1600 nm hadden enorme veranderingen van de brekingsindex, de extinctiecoëfficiënt en het buitensporige Bi-gehalte een effect op de absorptie van films [17, 18].

Reflectiespectra (a ) en transmissiespectra (b ) van GeBi-films met verschillende Bi-inhouden in de nabij-infraroodgolfband

Figuur 6 toont eigenschappen van de GeBi-films met verschillende Bi-inhouden in de ver-infraroodgolfband. Er was een hoog en stabiel absorptievenster voor GeBi-films in de golfband van 4-15 μm, zie Fig. 6a, b. Omdat de principes van reflectie en transmissie anders waren, konden we de absorptie van GeBi-films niet rechtstreeks uit Fig. 6a, b halen. We analyseerden de brekings- en experimentele resultaten van de extinctiecoëfficiënt van Ge-films in de golfband van 1-25 μm [17], beschouwden het effect van het Bi-gehalte op de Ge-films en kregen de absorptiespectra van GeBi-films in verre infraroodband tenslotte, zie Fig. 6c. Met het toenemende Bi-gehalte van 2 naar 10,2%, nam de absorptie toe van 9,3 tot 22,6% in het bereik van 1 tot 25 μm. De absorptie had dezelfde tendens bij een verdere verhoging van het Bi-gehalte. Toen het Bi-gehalte echter toenam, nam de absorptie van de Ge_1 − x Bi_x dunne films namen toe in het bereik van 1,0 tot 7,5 m en namen vervolgens af in het bereik van 7,5-25 m. Het Bi-gehalte boven 10% resulteerde in de Bi-atomen die werden afgezet in GeBi-films, de oppervlakteruwheid nam toe en vervolgens werd de absorptie verminderd. Afbeelding 7 toont de THz-transmissie als functie van de frequentie voor de GeBi-films met verschillende Bi-inhoud. Toen het Bi-gehalte toenam van 2 naar 10,2%, nam de transmissie met 10% af. De transmissie nam licht toe met een toename van het Bi-gehalte van 18,3 naar 22,2%. De transmissiemetingen geven aan dat de THz-eigenschappen van de Ge_1 − x Bi_x dunne films kunnen worden afgestemd door het Bi-gehalte te variëren, wat erg belangrijk is voor de toepassing zoals THz-golfmodulatoren [19].

Transmissiespectra (a ), reflectiespectra (b ), en absorptiespectra (c ) van GeBi-films met verschillende Bi-inhouden in de ver-infraroodgolfband

THz-transmissiespectra van GeBi-films met verschillende Bi-inhoud