분자빔 에피택시법을 사용한 GeBi 필름의 준비 및 광학적 특성

결과 및 토론

그림 1은 준비된 Ge_{1 − x}의 XRD 패턴을 보여줍니다. Bi_x 영화. GeBi 합금에 기인할 수 있는 특징적인 회절 피크가 모든 MBE 성장 샘플에서 발견될 수 있음을 알 수 있습니다. 그림 1은 Ge_{1 − x}의 XRD 결과를 보여줍니다. Bi_x 열처리 없이 MBE로 성장시킨 필름. 모든 샘플은 GeBi 필름의 회절 피크를 보여주지만 샘플의 결정 특성은 Bi 함량(x ) 0.020에서 0.222로 변경됩니다. Bi 함량이 낮을 때(x =0.020), Ge_0.980 Bi_0.02 필름은 (014) 방향을 따라 배향된 것으로 밝혀졌습니다(그림 1 참조). Bi 함량이 x로 증가함에 따라 =0.102, 2θ 부근에 위치한 (104) 피크 옆 =38.2 ^o , 2θ 부근에 위치한 GeBi 필름의 (012) 피크 =27.2 ^o 나타나기 시작합니다. Bi 콘텐츠가 증가함에 따라(x ) 0.183에서 0.222로, (012) 피크의 강도는 극적으로 증가한 반면 (104) 피크는 거의 사라졌다. 이것은 Ge_{1 − x}를 나타냅니다. Bi_x 더 높은 Bi 함량을 갖는 필름은 바람직하게는 (104) 방향 대신 (012) 방향을 따라 배향된다. Bi의 다른 함량은 필름의 미세 구조에 영향을 미쳤습니다. Bi 함량이 다른 GeBi 필름의 경우 성장 매개변수를 변경하면 선호하는 성장 방향에 영향을 미칠 수 있습니다. 우리는 Bi 원자의 낮은 융점 때문에 Bi 원자가 Ge 원자와 그룹을 형성하고 결정 격자로 들어가 Ge-Bi 셀을 형성했다고 추측합니다. XRD 결과는 GeBi 필름이 MBE 방법으로 성공적으로 제조되었으며 Ge_{1 − x}의 Bi 함량을 변경하여 결정 특성을 조작할 수 있음을 나타냅니다. Bi_x 영화.

Ge_{1 − x}의 XRD 패턴 Bi_x x 범위의 다양한 Bi 함량으로 GeBi 필름을 필름 =0.020 ~ x =0.222

Ge_{1 − x}의 일반적인 SEM 이미지 Bi_x 필름 샘플은 그림 2에 나와 있습니다. Bi 함량이 2.0%(x =0.02), GeBi 필름이 잘 성장하고 표면이 매우 매끄럽게 나타났습니다(그림 2a 참조). Bi 함량이 10.2%로 증가하면 균질한 매질에 약간의 작은 점이 있었고 이는 새로운 상의 초기 형성 과정의 표현이었습니다(그림 2b 참조). 가장 낮은 에너지 원리로 인해 표면의 Bi 원자는 그룹(크기 33–42 nm)으로 분리 및 응집됩니다. Bi 함량이 18.3% 이상에 도달하면 GeBi, 비정질 Bi 및 Ge와 같은 필름에 적어도 3개의 상이 있었습니다(그림 2c, d 참조). GeBi 필름의 입자 크기는 최대 약 1000nm로 매우 컸습니다. 30.7~118.0nm 범위의 작은 입자 크기를 가진 분리된 Bi 및 Ge 입자가 GeBi 입자의 결정 경계 사이에서 발견되었습니다. GeBi 합금의 고용도보다 Bi 함량이 높을 때 과도한 Bi 원자가 증착되어 저온에서 큰 입계에서 Bi 상을 형성한다는 것을 발견했습니다. 저온의 제약으로 인해 Bi 원자와 반응하지 못한 일부 Ge 원자도 큰 입계에서 Ge 상을 형성했습니다. 그럼에도 불구하고 Bi 함량의 증가는 GeBi 입자의 선호되는 성장을 촉진할 수 있으며 입자 크기는 42nm에서 100nm로 변경되었습니다(그림 2b, d 참조).

Bi 함량이 다른 GeBi 필름의 일반적인 SEM 패턴:a 2.0%; ㄴ 10.2%; ㄷ 18.3%; 그리고 d 20.3%

그림 3은 Ge_{1 − x}의 일반적인 AFM 이미지를 보여줍니다. Bi_x 다양한 Bi 함량을 갖는 필름, Ra 값 및 RMS 값은 표 2에 요약되어 있습니다. Bi 함량이 증가함에 따라 Ra 값 및 RMS 값이 급격히 증가하여 Ge_{1 − x Bix 필름이 증가합니다. 한편, 불균일한 결정립 크기와 결정립계의 작은 결정립으로 인해 Fig. 3b-d에 불규칙한 피크가 있었다. Bi의 함량이 과도할 경우 GeBi 합금에서 Bi의 고용도 제한으로 인해 Ge 원자로 대체되는 Bi 원자의 수가 제한되었다. 필름에 증착된 과잉 Bi 원자는 필름을 거칠게 만들고 GeBi 필름의 미세 구조에 큰 영향을 미쳤습니다. 이는 SEM 결과와 일치합니다.}

Bi 함량이 다른 GeBi 필름의 AFM 테스트 결과:a 2.0%; ㄴ 10.2%; ㄷ 18.3%; 그리고 d 20.3%

그림 4는 As-grown Ge_{1 − x}의 실온 라만 스펙트럼을 보여줍니다. Bi_x MBE에서 준비한 Bi 함량이 다른 필름. 약 190cm ⁻¹ 에 위치한 일련의 봉우리 Ge-Bi 진동 모드에 기인할 수 있습니다. Bi 함량이 증가함에 따라 Ge-Bi 피크는 더 강해지고 더 높은 파수(cm ⁻¹ ). 더 높은 파수로의 이동은 Bi 함량이 증가함에 따라 필름의 격자 상수의 불일치 비율과 GeBi 필름의 격자 변형률이 증가함을 나타냅니다. Bi 도핑은 Ge_{1 − x}의 격자 변형을 조정하는 효과적인 방법이라고 결론지을 수 있습니다. Bi_x 합금 박막.

Bi 함량이 다른 GeBi 필름의 라만 스펙트럼

그림 5는 Bi 함량이 다른 GeBi 필름의 근적외선 특성을 보여줍니다. 필름의 흡수 거동은 반사율과 투과 특성에서 구했습니다. 그림 5a에서 볼 수 있듯이 Bi 함량이 증가함에 따라 GeBi 막의 반사율은 1014-2500nm 범위에서 감소하여 막의 흡수가 증가했음을 나타냅니다. 1932~1938nm 범위의 계곡은 GeBi 필름의 간접적인 밴드 갭 흡수에 기인할 수 있습니다. 그리고 에너지 흡수 계곡의 깊이는 Bi 함량이 증가함에 따라 감소했습니다. Bi 함량이 20% 이상이면 1932~1938nm 범위에서 계곡이 사라졌습니다. GeBi 필름의 직접적인 밴드갭은 1446~1452nm 범위였습니다. 에너지 흡수 밸리의 깊이도 Bi 함량이 증가함에 따라 감소했습니다. Bi 함량이 20.3% 이상일 때 밸리는 1446~1452nm 범위에서 사라졌습니다. 결론적으로, Bi 함량의 증가는 GeBi 필름의 반사율을 감소시키고, 소광 계수를 증가시키며, 최종적으로 반사 진폭을 감소시킨다. 그림 5b에서 볼 수 있듯이 약 1020nm(1.22eV)에 변곡점이 있었는데, 이는 1.12eV에서 Si의 금지된 밴드 갭에 기인합니다. 파장이 변곡점 값보다 작을 때 GeBi막과 Si 기판의 투과율은 작았다. 1020-2500nm 범위에서 파장이 증가함에 따라 투과율이 증가했습니다. 그러나 Bi 함량이 18.3%에서 22.2%로 증가하면 투과율이 감소합니다. 800-1600nm 범위에서 굴절률, 소광 계수 및 과도한 Bi 함량의 엄청난 변화가 필름의 흡수에 영향을 미쳤습니다[17, 18].

반사 스펙트럼(a ) 및 투과 스펙트럼(b ) 근적외선 대역에서 Bi 함량이 다른 GeBi 필름

그림 6은 원적외선 대역에서 Bi 함량이 다양한 GeBi 필름의 특성을 보여줍니다. 4-15μm 파장 대역에서 GeBi 필름에 대한 높고 안정적인 흡수 창이 있었습니다(그림 6a, b 참조). 반사율과 투과율의 원리가 다르기 때문에 그림 6a, b에서 GeBi 필름의 흡수를 직접 얻을 수 없었습니다. 우리는 1-25μm 파장대에서 Ge 박막의 굴절률과 소광계수의 실험 결과를 분석하고[17], Bi 함량이 Ge 박막에 미치는 영향을 고려하여 GeBi 박막의 흡수 스펙트럼을 원거리에서 얻었다. 마지막으로 적외선 대역, 그림 6c 참조. Bi 함량이 2%에서 10.2%로 증가함에 따라 흡수율은 1~25μm 범위에서 9.3%에서 22.6%로 증가했습니다. 흡수는 Bi 함량이 더 증가할수록 동일한 경향을 보였다. 그러나 Bi 함량이 증가하면 Ge_{1 − x} Bi_x 박막은 1.0~7.5μm 범위에서 증가했다가 7.5~25μm 범위에서 감소했습니다. Bi 함량이 10%를 초과하면 GeBi 필름에 Bi 원자가 증착되고 표면 거칠기가 증가하고 흡수가 감소합니다. 그림 7은 Bi 함량이 다른 GeBi 필름의 주파수 함수로서의 THz 투과율을 보여줍니다. Bi 함량이 2%에서 10.2%로 증가했을 때 투과율은 10% 감소했습니다. Bi 함량이 18.3%에서 22.2%로 증가함에 따라 투과율이 약간 증가했습니다. 전송 측정은 Ge_{1 − x}의 THz 속성을 나타냅니다. Bi_x 박막은 THz 파 변조기와 같은 응용 분야에 매우 중요한 Bi 함량을 변경하여 조정할 수 있습니다[19].

투과 스펙트럼(a ), 반사 스펙트럼(b ) 및 흡수 스펙트럼(c ) 원적외선 대역에서 Bi 함량이 다른 GeBi 필름

Bi 함량이 다른 GeBi 필름의 THz 투과 스펙트럼