일차원의 대칭성을 갖는 형판 위에서 Bi원자가 자발적으로 형성하는 나노 구조체의 원자 구조를 이해하기 위하여, 재구조 된 Si(5 5 12)을 Bi의 탈착 온도에 가까운 온도로 가열한 채 Bi를 흡착시키고 주사 터널링 현미경으로 그 원자 구조를 각 흡착 단계별로 규명하였다. 제일 먼저 Bi는 이 기판에 존재하는 여러 종류의 $[\bar{1}\;1\;0]$에 평행한 row들 중에서 기판과 결합력이 가장 약한 dimer row와 adatom row 만을 선택적으로 Bi-dimer row와 Bi-adatom row로 각각 치환한다. 이 과정에서 치환된 Bi는 Si과의 크기 차이로 인해 인접한 (337) subsection에 tensile stress를 인가하게 되고, 그 결과 (337) subsection 내의 tetramer row는 갈라져 dimer row와 adatom row로 변형되고, 이들 역시 Bi-dimer row와 Bi-adatom row로 각각 치환된다. 다음으로 이들 치환된 Bi-dimer row와 Bi-adatom row 위에 각각 Bi-dimer가 흡착하면 서로 마주보며 안정된 Bi-dimer pair를 이루며, 이 pair 역시 row를 이루고 둘째 층을 형성한다. 마지막으로 셋째 층의 Bi는 둘째 층의 마주보는 Bi-dimer pair 위에 흡착한 한 개의 Bi-dime이며 더 이상의 Bi는 쌓이지 않는다. 이와 같이 자발적으로 조립되는 Bi-dimer row의 형성 원인을 종합하면, 재구조 된 Si(5 5 12) 위에서 Bi의 선택적 반응, Bi와 Si의 크기 차이로 인한 표면 stress의 유발, Bi 원자 간의 안정된 결합형태 등을 들 수 있다.
일차원의 대칭성을 갖는 형판 위에서 Bi원자가 자발적으로 형성하는 나노 구조체의 원자 구조를 이해하기 위하여, 재구조 된 Si(5 5 12)을 Bi의 탈착 온도에 가까운 온도로 가열한 채 Bi를 흡착시키고 주사 터널링 현미경으로 그 원자 구조를 각 흡착 단계별로 규명하였다. 제일 먼저 Bi는 이 기판에 존재하는 여러 종류의 $[\bar{1}\;1\;0]$에 평행한 row들 중에서 기판과 결합력이 가장 약한 dimer row와 adatom row 만을 선택적으로 Bi-dimer row와 Bi-adatom row로 각각 치환한다. 이 과정에서 치환된 Bi는 Si과의 크기 차이로 인해 인접한 (337) subsection에 tensile stress를 인가하게 되고, 그 결과 (337) subsection 내의 tetramer row는 갈라져 dimer row와 adatom row로 변형되고, 이들 역시 Bi-dimer row와 Bi-adatom row로 각각 치환된다. 다음으로 이들 치환된 Bi-dimer row와 Bi-adatom row 위에 각각 Bi-dimer가 흡착하면 서로 마주보며 안정된 Bi-dimer pair를 이루며, 이 pair 역시 row를 이루고 둘째 층을 형성한다. 마지막으로 셋째 층의 Bi는 둘째 층의 마주보는 Bi-dimer pair 위에 흡착한 한 개의 Bi-dime이며 더 이상의 Bi는 쌓이지 않는다. 이와 같이 자발적으로 조립되는 Bi-dimer row의 형성 원인을 종합하면, 재구조 된 Si(5 5 12) 위에서 Bi의 선택적 반응, Bi와 Si의 크기 차이로 인한 표면 stress의 유발, Bi 원자 간의 안정된 결합형태 등을 들 수 있다.
In order to test the capacity of Si(5 5 12) as a potential template for nanowire fabrication, Bi/Si(5 5 12) system has been studied by STM. With Bi deposition, Si(5 5 12) has been transformed to Si(3 3 7) terrace. Initially Bi atoms selectively replace Si-dimers and Si-adatoms with Bi-dimers and Bi-...
In order to test the capacity of Si(5 5 12) as a potential template for nanowire fabrication, Bi/Si(5 5 12) system has been studied by STM. With Bi deposition, Si(5 5 12) has been transformed to Si(3 3 7) terrace. Initially Bi atoms selectively replace Si-dimers and Si-adatoms with Bi-dimers and Bi-adatoms, respectively. With extended Bi adsorption, Bi-dimers adsorb on the pre-adsorbed Bi-dimers and Bi-atoms. These dimers in the second layer form Bi-dimer pairs having relatively stable $p^3$ bonding, Finally, the Bi-dimer adsorbs on the Bi-dimers in the second layer and saturates. It can be deduced that both surface transformation to (3 3 7) and site-selective Bi adsorption are possible due to substrate-strain relaxation through inserting Bi atoms into subsurface of Si substrate.
In order to test the capacity of Si(5 5 12) as a potential template for nanowire fabrication, Bi/Si(5 5 12) system has been studied by STM. With Bi deposition, Si(5 5 12) has been transformed to Si(3 3 7) terrace. Initially Bi atoms selectively replace Si-dimers and Si-adatoms with Bi-dimers and Bi-adatoms, respectively. With extended Bi adsorption, Bi-dimers adsorb on the pre-adsorbed Bi-dimers and Bi-atoms. These dimers in the second layer form Bi-dimer pairs having relatively stable $p^3$ bonding, Finally, the Bi-dimer adsorbs on the Bi-dimers in the second layer and saturates. It can be deduced that both surface transformation to (3 3 7) and site-selective Bi adsorption are possible due to substrate-strain relaxation through inserting Bi atoms into subsurface of Si substrate.
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문제 정의
[10] 그러나 최근 x-ray 회절의 실험 결과와 Baski 등이 발표한 Si(5 5 12)-2xl의 구조가 잘 일치하지 않고, 표면에서의 형태 변화나 흡착종 (adsorbate)과의 반응에서도 그들의 구조를 이용하면 잘 맞지 않다는 사실이 확인되어, 본 연구진에서는 본 실험에 앞서 pseudopotential total—energy calculation의 도움을 받아 보다 안정된 Si(5 5 12) 표면의 구조를 규명한 바 있다.[侦 본 연구에서는 재구조 된 표면에서 Bi가 자발적으로 양자선을 형성하는 지 알아보고, 전술한 바와 같이 Bi와 우선적으로 반응하는 부분의 구조변화를 면밀하게 관찰하기 위하여 재구조 된 Si(5 5 12) 위에서 Bi의 초기흡착 상태를 연구하였다. 아울러 Bi는 Ge/Si 이종에 피 성장에서 surfactant로서 역할을 하고 있다고 알려져 있어서, Bi가 이러한 high-index Si 표면에서 초기에 흡착하는 상태를 연구하면 새로운 에피성장 구조를 제시할 가능성도 있다.
본 STM을 이용한 연구에서도 위에서 제시된 모델들과 실제 STM image에서 나타나는 구조가 일치하지 않는 것을 여러 종류의 bias로 구한 STM image들을 통하여 알게 되었다. 따라서 본 연구에서는 금속을 증착 하기에 앞서 재구조 된 Si(5 5 12) 표면의 구조를 제 일 먼저 정립 하고자 하였다. [13]
본 연구에서는 주사 터널링 현미경 (scanning tunneling microscopy: STM) 기법을 사용하여 원자 수준의 구조를 알아내는 실험을 수행하기 위하여 용기내의 기본 압력이 lxlO-10 Torr이하가 되도록 유지하였다. 시료는 n-type (P-doped) Si(5 5 12) 기판을 13 x 2 x 0.
제안 방법
25mm 의 직경을 갖는 W wire를 KOH 용액에서 화학 에칭을 통해 제작하였고, STM의 상은 모두 상온에서 획득하였다. Filled-state와 empty-state 의 STM topographic images는 constant current 이mode로 구하였고, 이 topography 상과 함께 feed-back 과정에서 z-축의 움직임을 제어하는 값을 따로 읽어, STM image의 세기 변화에 민감한 image를 error signal mode로 동시에 구하였다.
시료와 Bi-source의 증발 온도의 측정은 optical pyrometer# 이용하였다. STM의 탐침은 0.25mm 의 직경을 갖는 W wire를 KOH 용액에서 화학 에칭을 통해 제작하였고, STM의 상은 모두 상온에서 획득하였다. Filled-state와 empty-state 의 STM topographic images는 constant current 이mode로 구하였고, 이 topography 상과 함께 feed-back 과정에서 z-축의 움직임을 제어하는 값을 따로 읽어, STM image의 세기 변화에 민감한 image를 error signal mode로 동시에 구하였다.
였다. 기판의 온도를 상온이나 450℃로 유지한 상태에서 Bi 원자의 증착이 이루어졌고, 가열했을 경우에는 STM의 thermal drift 현상을 최소화하기 위하여 충분히 식힌 후에 상온에서 STM image를 구하였다. 시료와 Bi-source의 증발 온도의 측정은 optical pyrometer# 이용하였다.
[10] 그 이후로 Ranke[ll], Liu[12] 에 의해 새로운 모델 들도 제안되었으나, 이러한 기존의 모델들은 각각 다른 실험 결과를 설명하기에는 부족한 문제점을 갖고 있어서 아직까지 어떤 구조가 이렇게 단위 세포가 큰 Si(5 5 12)의 재구조 된 형태인지 알 수가 없었다. 본 STM을 이용한 연구에서도 위에서 제시된 모델들과 실제 STM image에서 나타나는 구조가 일치하지 않는 것을 여러 종류의 bias로 구한 STM image들을 통하여 알게 되었다. 따라서 본 연구에서는 금속을 증착 하기에 앞서 재구조 된 Si(5 5 12) 표면의 구조를 제 일 먼저 정립 하고자 하였다.
본 연구에서는 Bi의 기판과의 반응이 기판에 도달할 때 즉시 일어나도록 기판의 온도를 Bi의 탈착 온도에 가까운 450℃로 유지하면서 Bi 를 흡착시켜보았다. Fig.
이러한 실험 결과를 바탕으로 Bi와 Si(5 5 12) 기판과의 흡착에 관한 모델을 정립하였다. Fig.
대상 데이터
본 실험에서 사용된 Si(5 5 12)는 53.5A의 비교적 커다란 반복 주기를 가지고 있고, 이 면이 재구조되면 1차원의 대칭성을 갖고 있는 여러 종류의 평행한 선 (tetramer row, dimer row, adatom row 등) 들이 표면을 구성하게 된다. 이를 형판으로 사용하여 금속을 증착할 경우 이들 중 제일 반응성이 높은 부분이 선택적으로 반응하여 양자 선을 형성할 수 있다고 기대되어 연구가 진행되고 있다.
2 ML 로증가시킨 후에 얻은 STM의 topographic image와 그 line profile을 보여주고 있다. 시료는 (337) 면의 주기인 15.7A 폭의 단위세포를 갖고있는 넓은 terrace로 변하였고, (5 5 12) 기판과의 격자상수 차이는 군데군데 정렬이 안된 경계들이 해소하는 것을 확인할 수 있다. Fig.
유지하였다. 시료는 n-type (P-doped) Si(5 5 12) 기판을 13 x 2 x 0.25 mm3 크기로 절개하여, 공기 중에서 유기 세척한 후, Mo로 제작된 시료 고정장치에 장착하여 사용하였다. 시료가 장착된 고정장치는 600℃로 9시간 이상 예열하여 공기 중에서 흡착된 불순물을 제거한 후, 수차례에 걸쳐 H50℃ 정도로 짧게 가열하여 표면을 보호하고 있는 산소 막을 제거하였다.
성능/효과
따라서 이 addimer의 존재가 image에서의 D(337) 고} T(337) 의 구별을 위한 indicator로서의 역할을 한 匸h 이들 구조에서 tetramei、와 dimer/adatome동일한 원자의 개수로 이루어져 있고 row에 수직인 방향으로 가해지는 stress 크기에 따라 쉽게 구조를 서로 바꾼다. Compressive stress 하에서 형성이 되어 있는 DI section에 존재하는 tetramer는 그곳에 외부 원자가 흡착하여 tensile stress를 가할 경우 쉽게 dimer와 adatom 으로 구조가 바뀌는 것을 관찰하였다. 반대로 row에 평행한 step 주위에서는 compressive stress가 인가되는데 이 경우에는 dimer오牛 adatom 이 tetramer로 구조가 바뀌는 것도 관찰하였다.
즉 compressive stress가 인가되면 T(337)로, tensile stress가 인가되면 D(337)로 구조가 변형된다. 결과적으로 (5 5 12) 를 이루는 subunit section 들은 구조 사체compressive stress 와 tensile stress를 갖는 subsection으로 이루어져 이 상반되는 stress가 단위세포 내에서 해소되어 평평하고 넓은 표면을 이룬다.
끝으로 D1 sectione tetramer 를 포함하는 부분으로서 row에수직한 방향으로 D2의 dimer가 형성되어 있는 위치와 일치하는 곳에 tetramer가 있고 row에 평행한 방향으로는 2脆의 주기를 이루고 있다. 결과적으로 1차원 row 에 수직한 [66 可 방향을 따라서 Z-D-A-Z-D-A-T-Z-T-Z 순서로 반복되는 구조를 이루고 있다. Fig.
6A이 되어 추가적인 Bi-dimer가 흡착할 수 있는 거리가 된다. 결과적으로 상온에서 Bi를 증착하고 후열처리 할 경우에는 재구조 된 표면의 변형은 각 section 내부에 국한되고, dimer 와 adatom 등 기판과 결합력이 약한 Si만이 Bi로 치환되는 것을 확인하였다.
이러한 Bi-dimer pair위에 최종적으로 single Bi-dimer가 흡착하면 더 이상의 Bi-dimer의 흡착이 가능한 site가 존재하지 않게 된다. 결론적으로 일 차원의 Bi-dimer pair row가 Si(5 5 12) 위에서 성장이 가능하게 된 가장 중요한 요인은 Bi가 여러 종류의 일차원 대칭성을 갖고 있는 Si(5 5 12) 내의 구조들 중에서 dimer와 adatom 만을 선택적으로 치환하여 이 위에 Bi 의 안정된 구조인 Bi-dimer pair가 흡착할 수 있는 site를 제공한 데에 있다.
본 실험에서의 Bi coverage가 0.01ML이고 기판의 온도가 높기 때문에 Bi의 흡착보다 탈착 비율이 더 커서 Bi의 뚜렷한 형태가 STM 상에서는 나타나지 않지만, Si (5 5 12)에 Bi가 흡착하고 탈착되는 과정에 기판의 D2와 D3 section에 있는 결합력이 가장 약한 dimer와 adatom을 대체할 것이라 예측 된다. 이 과정에서 Si-dimer의 결합 길이 (2.
7A의 단위세포로 재구조 되는 것도 보고하였다. 이 연구 결과에서 보고하고 있는 둘째 층 Bi-dimer 사이의 거리는 본 실험의 STM image에서 보인 밝은 두 점 사이의 거리와 정확히 일치한다. 이는 본 연구에서 보인 둘째 층의 Bi-dimer구조와 2xn 구조의 Bi-dimer 구조가 동일한 구조를 갖고 있다는 것을 의미한다.
참고문헌 (27)
H .H. Song, A. A. Baski, and J. A. Carlisle, J. Vac. Sci. Technol. A 17, 1615 (1999)
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