碲欠电位沉积于金上的扫描速率分析
近年来, 与硫族元素有关的II-VI族和V-VI族化合物半导体, 如Bi2Te3, Sb2Te3 和Bi2Se3 及其合金在微电子、光电子和生物医学领域应用极为广泛. 原位发电、微型制冷芯片、红外传感、高效率太阳能电池、机械装置和生物芯片等都是其典型的应用实例. 制备硫族纳米薄膜通常采用分子束外延、原子层外延以及金属有机气相沉积等外延方法. 但这些方法需要昂贵的试剂源、复杂的设备、高温条件甚至会产生一些有毒的附加产物. 电化学原子层外延将电化学与原子层外延相结合, 同时具有电化学室温沉积与原子层外延精确控制化合物单层结构生长的优点. 电化学原子层外延运用欠电位沉积(UPD)方法获得一种元素的表面限制性生长层, 然后控制沉积与其构成半导体化合物的另一种元素, 交替进行这两个步骤, 以形成所需的半导体化合物薄膜. UPD是指一种元素在另一种元素上沉积所需电势正于这种元素在自身元素上沉积所需电势, 其驱动力来自形成表面化合物的吉普斯能. 目前, 许多新的光电材料如II-VI族、III-V族以及IV-VI族化合物已采用电化学原子层外延方法成功地制备.在采用电化学原子层外延方法制备化合物的过程中, 最初单原子层的欠电位特性将对随后化合物沉积层的结构以及薄膜整体性能具有至关重要的影响. 为了在单晶表面电化学原子层外延生长CdTe光电材料, Stickney工作组采用俄歇电子光谱(AES)、低能电子衍射(LEED)对最初碲单原子层在单晶金表面的形态结构进行了详细研究. Hayden等也采用原位扫描隧道显微术(In-Situ STM)对不同晶面指数的单晶金上的碲UPD层的结构进行了实时观测. 在不同沉积电位(如最初UPD, 二次UPD和体相沉积)电沉积碲层的形态结构现在已清楚. 尽管这些工作已较好地阐明了碲UPD层的结构, 但调查预先沉浸吸附层和它们的氧化还原行为却很少受到关注.
目前已有许多研究工作运用结构敏感技术来阐明最初单原子层与金属衬底之间界面的电化学特性. 这些结构敏感技术包括扫描隧道显微术(STM), 低能电子衍射(LEED), 光电子能谱(XPS)等. 相对于这些结构敏感技术, 电化学技术, 如循环伏安技术是一种低成本、简单方便的有效方法. 由于伏安技术对于沉积机制非常敏感, 因而能提供关于沉积过程的细微变化以及衬底表面与欠电位层之间相互影响的信息, 对于理解欠电位沉积过程是一个强有力的工具.
华中科技大学模具技术国家重点实验室朱文等人研究了碲在金衬底上的不可逆吸附行为特征及其对碲原子欠电位沉积行为的影响. 同时也探讨了碲原子于金衬底上的欠电位沉积机制. 结果显示在开路条件下碲原子在金衬底表面具有不可逆的吸附行为, 证实了在金的双电层范围内很难将这种碲的吸附物移走. 为了完全移走碲的吸附物, 需要采用特定的电化学清洗程序. 发现碲的吸附物移走发生在电位循环至金的氧化区域, 且在该区域这种碲的吸附物移走与金的表面氧化同时发生. 扫描速率分析结果证实碲欠电位沉积在金表面符合Sanchez-Maestre 模型的三个标准, 说明碲原子于金衬底上欠电位沉积符合二维形核和生长机制.