● 摘要
Ge/Si自组织量子点作为各种半导体自组织量子点研究的模型系统，一直都是研究的热点。Ge在Si(001)表面的生长表现为Stranski-Krastanov型生长，即超过3~4个Ge单原子层（浸润层）后，生长方式由二维层状生长转变为三维岛状生长，生长出的三维岛包括由(105)晶面组成的较小的HUT和主要由(113)晶面组成的较大的DOME。本文主要是针对DOME结构中的Ge/Si(113)晶面进行研究，通过基于密度泛函理论和局域密度近似的第一原理赝势方法，利用VASP软件进行模拟计算，分析DOME的形成机制及其稳定性等。作者对Si(113)表面的(3×1)-AD、(3×1)-AD(p)、(3×2)-AD(op)、(3×1)-AI、(3×2)-ADI和(2×2)-TPI&R等6种重要重构结构进行了优化计算，得到了各种重构结构的几何参数、表面能以及表面应力等相关数据，结果表明具有自间隙原子的重构表面的表面能较低，相对稳定。在 (3×1)-AI、(3×2)-ADI和(2×2)-TPI&R三种具有自间隙原子的Si(113)重构表面上进行Ge原子沉积的研究表明，随着Ge沉积层数的增加，Ge/Si(113)表面的表面能逐步降低，而且 Ge在Si(113)表面上沉积到3层之前，表面应力都表现为张应力，之后转变为压应力。说明构成DOME的Ge/Si(113)表面在压应变条件下是能量很低的稳定表面，并且Ge原子在Si(001)表面上自组织生长量子点，当生长到3个(113)层厚（相当于约4个(001)层厚）时开始形成DOME。由计算所得的表面能和表面应力可知，Ge在Si(113)表面上沉积首先表现为(3×2)-ADI重构，随着沉积层数的增加逐步转变为 (3×1)-AI重构，最终形成(2×2)-TPI&R重构，这与实验观察到的Ge/Si(113)→(2×2)表面是一致的。本文对Ge/Si(001)自组织量子点的形成过程给出了一种解释：Ge在Si(001)表面上作外延生长，沉积初期Ge原子量少或温度较低时，先形成角度较低的HUT岛，此岛是亚稳定的；之后随着Ge原子沉积量的增大或温度较高时，形成了更稳定的大岛DOME。