利用原位紫外脉冲激光照射实现 MBE 生长 Ga 液滴的快速尺寸重构

摘要

对 GaAs (001) 衬底上 MBE 制备的镓（Ga）液滴表面进行单次原位紫外脉冲激光照射。实验表明，激光照射可轻松重新调节 Ga 液滴尺寸，成功获得宽度 16–230 nm、高度 1–42 nm、尺寸分布极宽的特殊 Ga 液滴。利用激光光斑能量的不均匀分布，可在单一样本上直接研究辐照强度（IRIT）对液滴修饰的影响，并阐明相关机制。系统地看，激光重构可分为三阶段：低辐照水平下，激光加热仅使液滴热膨胀并诱导合并，尺寸分布仅向大尺寸偏移；高辐照水平下，激光不仅引起热膨胀，还导致 Ga 原子热蒸发，使尺寸分布双向扩展。所有尺寸变化均可通过调节激光 IRIT 强力控制，为未来更可设计的液滴外延技术奠定基础。

引言

随着基础物理与实际应用的快速发展，构建各类器件的需求日益增长。金属纳米颗粒可构建多种器件和结构，作为重要代表，液滴外延技术自 Koguchi 等 1991 年提出以来持续受到全球关注，因其几乎涵盖所有低维纳米结构，包括量子点、量子环、量子线等。近期更实现了量子点对、量子点分子、双环、多重同心环等特殊结构。液滴外延通常包含两步：金属液滴预形成与后续结晶。液滴形成阶段的尺寸控制至关重要，它不仅直接决定最终量子结构尺寸，还决定液滴将演变成何种纳米结构。例如，调节液滴尺寸可敏感触发量子点与量子环的快速切换，多重同心环专门构建在巨大尺寸的 Ga 液滴上。温度是调节液滴尺寸的最关键因素，增大液滴需升高温度。Fuster 等将温度升至 500°C 获得高 45 nm、宽 240 nm 的巨大 Ga 液滴。然而，升温会剧烈加剧液滴对衬底的蚀刻，液滴元素在后续结晶前被消耗，且液滴下方形成寄生纳米孔结构，可能污染目标量子结构。Wang 等证实，无砷供给条件下 500°C 退火 80 s 后，Ga 液滴完全消失并被火山状纳米孔取代。升温虽能促进液滴生长，却同时破坏液滴，这是传统液滴外延中难以调和的矛盾。因此，寻找一种与温度无关的液滴尺寸修饰技术具有重大意义。

本文在 GaAs (001) 衬底上通过 MBE 制备 Ga 液滴（原始形貌：密度 4.1×10¹⁰/cm²，宽度 37–65 nm，高度 4–9 nm），随后立即用紫外脉冲激光原位照射制备表面。令人印象深刻的是，激光照射有效修饰了液滴尺寸，并系统阐述了重构原理。照射后，液滴高度和宽度分别拓宽至 1–42 nm 和 16–230 nm，即在极低温度 180°C 下直接获得宽达 230 nm、高达 42 nm 的极大液滴。这是一种兼具安全性与高效性的液滴重构技术，将为当前液滴外延赋予极大的尺寸控制自由度，使其更可行、更灵活。

实验方法

实验在配备激光视窗的专用 MBE 系统中进行，可原位引入脉冲激光束。系统装有 In、Ga、As 三个源腔。生长温度经校准的辐射温度计监测，配备反射高能电子衍射（RHEED）监测生长。首先，在 600°C 下于去氧化的 GaAs (001) 2 英寸 1/4 衬底上生长 300 nm GaAs 缓冲层，As₂ 束流等效压力（BEP）设为 7.6×10⁻⁶ Torr。关闭 As 阀，衬底温度暂降至 400°C，待多余 As 原子被液氮冷阱充分捕获、避免 As 吸附表面。当 As 环境压力降至 ~1.2×10⁻⁹ Torr（接近生长前最佳压力 (9.5–11)×10⁻¹⁰ Torr）时，衬底温度进一步降至 180°C，以 Ga 生长速率 0.168 ML/s、总沉积厚度 4 ML 形成液滴。Ga 液滴生长完成后，立即以单次单光束频率三倍频 Nd:YAG 激光（波长 355 nm，脉冲宽度 10 ns，能量 35 mJ）原位照射。照射后立即取出样品，用原子力显微镜（AFM）轻敲模式测试表面形貌。因激光光斑（直径 6 mm）远小于 1/4 2 英寸衬底，非照射区（NIR）与照射区（IR）可对比。IR 区因光斑呈高斯强度分布，液滴形貌随 IRIT 变化可一次性观测。选取 IR 区五个代表性位置（IR1–IR5，按 IRIT 递增顺序），其相对光斑位置标注于图 1 顶部示意图：IR5 对应光斑中心（0 位置），向右每移动 0.5 mm 取一 AFM 图像（依次对应 IR4–IR1），最后完全移出光斑拍摄 NIR（原始 Ga 液滴形貌）。

结果与讨论

图 1a–f 为 NIR 与 IR1–IR5 的 AFM 形貌图，（g–l）、（m–r）为对应的宽度和高度分布直方图。因液滴在 180°C 低温形成，NIR（图 1a）中原始密度高达 4.1×10¹⁰/cm²，宽度和高度均呈典型高斯分布，主峰分别为 45–55 nm 和 4–8 nm（图 1g、m）。最大/最小尺寸约为 65 nm/9 nm 和 37 nm/4 nm。IR1（图 1b）与 NIR 形貌极似，分布、密度、等效体积（EV）几乎无变化，但观察到液滴周围出现纳米环结构（白箭头），归因于激光加热引起的热膨胀，膨胀不足以致合并，热量耗散后液滴弛豫回原状，留下环状膨胀轨迹。此阶段 IRIT 太弱，无法重构液滴。第二阶段（IR2–IR3）：IR2（图 1c）观测到液滴合并证据（黄虚线框），标记液滴邻近纳米孔（白箭头），尺寸 70 nm×12 nm，远超 NIR 最大值。可解释为两液滴合并：随 IRIT 增加，热膨胀增强，液滴间交叉增多，随机推动合并，同时留下预钻纳米孔。IR3（图 1d）发现三甚至更多液滴合并（图 2d'），反映更强的重构效应。统计数据显示 IR2、IR3 尺寸分布仅向大尺寸偏移，未见小尺寸液滴。图 2f 显示 IR2、IR3 的 EV 与 NIR 持平，而密度大幅下降，表明此阶段激光仅通过热膨胀诱导合并重构液滴，无 Ga 原子损失。第三阶段（IR4–IR5）：EV 急剧下降（图 2f 三角点），表明激光不仅膨胀液滴，还伴随 Ga 原子热蒸发。IRIT 超过蒸发阈值时，脉冲激光瞬间将液滴加热至蒸发温度。此阶段重构由合并与蒸发共同主导：若合并无法补偿蒸发损失，液滴收缩（图 2e 微小液滴）；否则尺寸增大，甚至通过多液滴合并形成巨大液滴（图 2e 巨大液滴）。这种竞争机制完美解释了 IR4、IR5 尺寸分布双向扩展的特殊现象。至此，原位脉冲激光重构液滴的性能与原理已充分阐明。为进一步验证，进行了两个设计实验。

一方面，根据热膨胀诱导合并原理，液滴间距（即密度）是除 IRIT 外的另一关键参数。图 3a 示意：增大液滴间距（d1→d2），同等热膨胀下交叉减少，合并应被抑制。在 280°C 制备新样品（图 3b），NIR 密度骤降至 5×10⁹/cm²（180°C 样品的 1/8），液滴间距有效放大。照射后（图 3c），密度不变但液滴周围出现显著相邻环（白箭头），表明即使强热膨胀下合并也被抑制，有力佐证了解释。另一方面，本工作观测到的纳米孔（图 4a）极浅（亚纳米级，<3 个原子层，见插图），得益于低衬底温度，液滴钻孔效应被严格抑制、近乎可忽略。为展示升温带来的纳米钻孔风险，在 350°C 制备样品（图 4b），生长后仅短暂中断 2 min 即快速降温，却观测到严重钻孔效应破坏液滴，部分液滴完全消失并被深度数纳米的纳米孔取代（插图）。相反，180°C 样品经 15 min 中断仍保持稳定（图 4c）。

结论

本研究在 180°C 下对 MBE 原位生长的 Ga 液滴进行脉冲激光照射，证明激光可轻松高效地调节液滴尺寸分布。详细研究了液滴形貌随 IRIT 的演变，系统阐明机制：低辐照水平下，尺寸分布仅向大尺寸偏移，由激光热膨胀诱导的液滴合并解释；高辐照水平下，尺寸分布双向扩展，源于合并与热蒸发的竞争。该技术在极低温度下原位重构液滴，几乎完全防止液滴蚀刻衬底，与常规液滴外延完美兼容，且无污染、氧化、损伤。值得一提的是，将单光束照射升级为多光束干涉照射，未来可轻松实现液滴尺寸的图案化修饰，实现更可控的液滴外延。