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【综合其他】应力各向异性表面上Ag纳米岛的双稳态研究
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在分子束外延生长中，生长材料和衬底之间的晶格失配或者衬底表面的应力各向异性，都会导致外延薄膜和纳米结构发生应变。对于应力参与的外延生长，纳米结构的形貌和应力之间存在着紧密的关系。对这种关系进行研究，不仅可以提取表面热力学参量的信息，还对纳米线和量子点等纳米结构的可控制备具有重要的指导意义。Li, Liu 和 Lagally (LLL) 的理论模型【Phys. Rev. Lett. 85,1922 (2000)】已经成功地解释了很多应力诱导的实验现象。以晶体表面外延岛的形状演化为例，它主要受到台阶自由能以及岛和衬底之间产生的应力的影响。在临界尺度以下，台阶自由能占主导地位，岛的形状会呈现各向同性，而在临界尺度以上，应变能占主导地位，即使应变能和台阶自由能均为各向同性，岛的形状也会自发地变为各向异性。LLL模型预测以及实验观察表明这种演化是一种连续变化的过程。但是之后的Zandvliet 和 van Gastel (ZG) 的理论模型【Phys. Rev. Lett. 99,136103 (2007)】预言，在特殊情况下外延岛的形状存在着一种不连续的演化过程，在临界尺寸附近，各向同性的岛和各向异性的岛会同时存在。然而这种岛形状的双稳态出现的条件非常苛刻，这一预言也一直缺乏实验证据的支持。 中国科学院物理研究所马旭村研究员带领的研究小组，与清华大学薛其坤、贾金锋、陈曦的研究团队、美国犹他大学的刘锋教授以及西安交通大学徐可为教授合作，从实验和理论上研究了Si(111)-(4×1)-In表面上生长的Ag岛的应力行为。 (4×1)-In是典型的一维模板，在其上生长的纳米结构往往具有明显的各向异性，并具有各向异性的应力。他们利用扫描隧道显微镜观察发现，低温下形成的Ag岛全部形成各向异性的纳米线；而室温下形成的Ag岛的形状的分布则呈现双稳结构，即各向异性纳米线和各向同性的纳米点的共存。对Ag岛的形状和尺寸的统计分析表明，双稳结构出现在临界尺寸附近，实验结果和应变岛双稳态的ZG模型符合得很好。第一性原理计算表明，Si(111)-(4×1)-In表面上生长的Ag岛确实具有各向异性的应力分布，这证明了ZG模型所提出的各向异性应力是产生外延岛形状双稳态的条件。 该研究首次从实验上证实了ZG模型预言的应变岛双稳态的存在，这为利用应力调控表面纳米结构的自组织生长提供了一种新的手段。相关成果刊登在2009年8月14日的【Phys. Rev. Lett. 103, 076102 (2009)】上。此项工作得到了国家自然科学基金委的资助。 |
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