GaSb衬底上分子束外延生长的InSb纳米带的拉曼光谱及其随磁场的拉曼峰移研究*

1. 概述

        InSb纳米结构的制备过程中的各种性质已经得到了广泛的研究，但几乎没有任何关于它们对磁场的响应的研究，特别是InSb纳米结构化中声子的磁响应。声子的这种磁响应对于声子工程是重要的，这将为提高霍尔传感器的性能、控制热传导等提供手段。

        本文报道了在（0 0 1）GaSb衬底上分子束外延生长的自组装InSb纳米带的拉曼光谱。纳米带具有截锥形状，典型尺寸约为150×200×25 nm³。使用拉曼光谱探测InSb纳米带的声子相关性质。结果发现，当激发波长增加时，拉曼光谱显示InSb相关声子峰的轻微红移。当施加磁场时，可以观察到这些峰值的蓝移。使用透射电子显微镜研究了InSb纳米带的结构信息及其拉曼特性。

2. 样品制备

        本研究中使用的InSb量子纳米结构是通过使用配备有Sb阀裂解池的固体源MBE设备在（001）GaSb衬底（来自中芯晶研）上生长的。Ga和In源为标准渗出细胞。在540°C下生长200 nm厚的GaSb缓冲层后，在270°C下以0.013 ML/s的低生长速率生长了三个InSb单层（ML）。在InSb层的生长过程中，原位反射高能电子衍射（RHEED）图案从条纹图案转变为清晰的斑点图案，表明3D纳米结构的产生。然后生长120nm厚的GaSb层覆盖InSb纳米结构。最后，使用原子力显微镜对GaSb覆盖层的顶部生长具有与嵌入的InSb相同生长条件的第二层InSb进行表征。

        图1（a）显示了样品结构的示意图。生长在顶表面上的自组装InSb纳米结构的AFM图像如图1（b）所示。所获得的InSb纳米结构，即InSb纳米带，具有截锥形状，沿[110]方向伸长，典型尺寸（长度L、宽度W和高度H）为~150×200×25 nm³。图1（b）显示了具有定义尺寸的纳米条纹的3D示意图。纳米片的表面密度约为4.1×10⁸cm^-2。所生长的纳米结构的条形形状和低表面密度与其他关于嵌入GaSb基质中的自组装InSb纳米结构的报道不同，这主要是由于我们的纳米结构使用的低生长速率。

图1（a）样品结构示意图；（b） InSb纳米带AFM图像、纳米片的3D示意图；在研究磁场方向对拉曼光谱的影响期间，磁场在z方向（c）和x-y平面（d）上排列

        使用共聚焦拉曼显微镜在室温下进行拉曼光谱，以研究样品的应变特性，其中InSb纳米带嵌入GaSb基体中。使用473、532、633和785nm的不同波长的激发激光器来探测由应变诱导的声子在距样品表面不同深度处引起的拉曼散射光谱的偏移。激发激光束的聚焦和拉曼信号的收集是使用示波器的相同物镜进行的。为了研究磁场对拉曼光谱的影响，激发激光波长固定在633nm，而磁场强度变化到0mT、130mT、300mT、400mT和500mT的值。使用磁力计测量磁场强度。通过在z方向和x-y平面上排列磁场，还研究了磁场方向（如图1（b）和1（c））对InSb纳米带诱导的与声子相互作用的影响。使用透射电子显微镜（TEM）对样品进行截面分析，以研究InSb纳米条纹的结构信息与其拉曼特性之间的关系。

图2 不同激发波长下获得的InSb纳米带和体GaSb衬底的室温拉曼散射光谱：（a）拉曼位移在160–350 cm^-1范围内的总体拉曼光谱表示，其中可以观察到InSb纳米带（如虚线矩形所示）和体GaSb衬底产生的TO和LO声子峰；（b） 160–200 cm^-1范围内的近距离拉曼光谱

图3 磁场下，InSb纳米带的拉曼散射光谱：磁场在（a）z方向和（b）x-y平面上排列。图中还显示了未施加磁场的体InSb的光谱以供参考

图4 InSb纳米带（a）TO和（b）LO声子峰的拉曼位移，磁场沿z方向排列

红线：两个峰值的线性拟合曲线

蓝线：误差条表示在样品的多个位置测量的提取拉曼位移的标准偏差

图5 InSb纳米带（a）TO和（b）LO声子峰的提取拉曼位移，磁场在x-y平面中排列

蓝线：误差条表示在样品的多个位置测量的提取拉曼位移的标准偏差

图6 沿[110]方向切割的TEM图像，显示了表面和掩埋InSb纳米带的结构：（b）是（a）中的黄色虚线区域的高分辨率TEM图像，指示失配缺陷

3. 结论

        使用分子束外延生长在（001）GaSb衬底上的自组装InSb纳米条纹的室温拉曼光谱研究了InSb基纳米结构与磁场之间的相互作用。我们已经证明，InSb纳米带诱导的声子确实对磁场有反应，但很大程度上取决于磁场相对于声子振动模式的取向。

        TEM研究表明，周围的GaSb向纳米带迁移，导致In（Ga）Sb纳米带的形成，而不是纯InSb纳米带，这可能与弱拉曼信号有关。研究表明，InSb纳米结构是霍尔传感器、自旋电子学和基于自旋的量子信息等磁场相关应用的理想材料。

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