Lecture10清洁表面的制备及分子束外延.ppt
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1、1,清洁表面的获得1.1 超高真空的意义1.2 清洁表面的获得手段2.分子束外延简介3.外延生长3.1 外延生长的定义3.2 外延生长的动力学过程4.反射式高能电子衍射5.分子束外延应用实例,实验4:清洁表面的制备及分子束外延,2,超高真空(Ultrahigh Vacuum)技术 获得清洁表面的前提,为什么需要超高真空技术?,由气体动力学方程,单位体积的气体分子与单位金属表面的碰撞频率,n单位体积内气体分子个数ca平均速度,而均方根速率为,又有,3,得到,当P的单位取torr,T的单位取K,m由分子量M取代,有,(cm-2 s-1),N2分子量为28,室温293 K,1 torr压力下,=3.
2、881020 cm-2 s-1,典型固体表面原子密度约为1015 cm-2,假设碰撞到表面上的分子完全被吸附,则形成一个单层在10-6 torr的压力下仅需3s,在气压为10-10 Torr 或 10-11 Torr 时,吸附单分子层的时间将达几小时到几十小时。,除了极少数特例外(Au,石墨),所有的清洁表面都必须在超高真空中获得和保持。,4,超高真空为各种表面科学研究、材料生长和器件应用的基础,表面结构、能态表面化学反应表面吸附和生长动力学表面纳米结构的制备和物性磁性薄膜分子自组装薄膜,半导体薄膜精确掺杂分子束外延生长大规模集成电路溅射镀膜,5,1958年,第一界国际技术会议建议采用“托”(
3、Torr)作为测量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。,1标准大气压(1atm)1.013105Pa(帕)1Torr1/760atm1mmHg1Torr133Pa,在表面科学中,用L(langmuir)表示气体在样品表面的暴露量,定义:,1L=10-6 torrs,例如:当系统压力为10-6 torr,通入某气体的时间为1秒,则暴露量为1L,*,常用物理量,6,德国Omicron超高真空表面分析设备,7,德国Createc超高真空低温STM/AFM,8,The outer space is in UHV!,9,UHV,获得清洁表面的一般手段,1.解理(Cleavage
4、):在真空中用机械方法分解块材样品,暴露出清洁表面,10,获得清洁表面的一般手段,1.解理(Cleavage):在真空中用机械方法分解块材样品,暴露出清洁表面,得到的表面具有和体相相同的化学成份比(对于化合物很重要)。,只适用于脆性的,有解理面的晶体卤盐(NaCl,KCl),氧化物(ZnO,TiO2,SnO2),半导体(Ge,Si,GaAs)对金属材料不适用只能得到特定的解理面例如:碱卤盐:100;ZnO:1010III-V化合物半导体:110元素半导体Si,Ge:111,11,*易解理面:满足电中性条件(non-polar surface):立方结构的碱卤盐:100;ZnO:1010III-
5、V化合物半导体:110元素半导体Si,Ge:111,Cleavage is only possible along certain crystallographic directions which are determined by the geometry and the nature of the chemical bonds.The number of bonds being cut,or the compensation of electric fields within the cleavage plane in the case of ionic crystals,are det
6、ermining factors.,12,Cubic ionic crystal structure(NaCl,KCl,MgO):100,Wurtzite crystal structure(ZnO,ZnS):1120,Zinc blende structure(GaAs,InAs,GaN):110,Diamond structure(Si,Ge):111,13,例:两种材料解理面的STM图,InP(110),Bi2Sr2CaCu2O8+d(BiO plane),14,2.表面原位清洁处理离子束溅射(Ion beam sputtering)高温退火处理,Bombarding a surface
7、 with energetic ions leads to the removal of surface material.This process is called ion erosion or sputtering and is a common tool for surface modification.It is widely spread in industry as a simple technique to roughen,smoothen,or clean technical surfaces.,15,不限制晶面和材料种类,适用面广:例如:溅射退火处理获得清洁金属表面(Au,
8、Ag,Cu,Pt,W,Mo);溅射退火获得清洁半导体表面(Ge,SrTiO3)高温退火获得清洁Si表面,Ion gun,Ar+,Au(111),Si(111),容易改变表面的化学配比(择优溅射),16,俄歇深度分析,17,磁控溅射镀膜,18,In 1962,Navez et al.showed that low energy ion erosion of glass surfaces can lead to the formation of self-organized periodic patterns.Since then,patterns have been found on a who
9、le variety of materials,such as metals,semiconductors,and insulators,which shows the universality of the formation process.,溅射诱导表面自组织结构,19,3.原位薄膜生长手段(CVD,IBD,MBE),除可获得清洁表面外,更重要的是生长薄膜材料。特别是分子束外延(MBE),能以原子层的精度控制材料的生长,获得薄膜、半导体超晶格、量子点、自组装分子薄膜等人工晶体材料,20,分子束外延(Molecular Beam Epitaxy),Invented in late 1960
10、s at Bell Laboratories by J.R.Arthur and A.Y.Cho.,Al,As,Ga,Effusion cells,RHEED screen,Electron gun,Sample stage,It was invented in the late 1960s at Bell Telephone Laboratories by J.R.Arthur and Alfred Y.Cho,21,分子束外延(Molecular Beam Epitaxy),Invented in late 1960s at Bell Laboratories by J.R.Arthur
11、and A.Y.Cho.,atmosphere(102 torr),low vacuum(10-6 torr),Ultrahigh vacuum(10-10 torr),22,分子束外延(Molecular Beam Epitaxy),Invented in late 1960s at Bell Laboratories by J.R.Arthur and A.Y.Cho.,23,Early stages:Three-temperature method(1958)Surface kinetic of the interaction(1960s)Surface chemical process
12、es extensively studied(1970)1980s:Introduction of gas-sourcePulsed beam growthThe observation of RHEED oscillations Coupling of MBE-related operations with UHV processing steps1990s:Multidimensional quantum well(MD-QW)Lattice-mismatched pseudomorphic epitaxial growth,分子束外延(Molecular Beam Epitaxy),In
13、vented in late 1960s at Bell Laboratories by J.R.Arthur and A.Y.Cho.,24,概念:分子束外延(MBE)是在超高真空条件下使用一束或者多束热蒸发原子束和在晶体表面进行外延生长的技术.Technique to grow crystalline thin films in ultrahigh vacuum(UHV)with precise control of thickness,composition and morphology功能:精确控制化学组分和掺杂浓度以单原子层的精度控制材料的生长过程各种低维结构材料:金属/半导体/功能
14、分子薄膜、异质结、超晶格、量子点特点:超高真空(10-10 torr)生长速率低(1单原子层/秒)生长温度低(550C for GaAs)高纯度原子/分子束源实时监测生长过程,分子束外延(Molecular Beam Epitaxy),25,控制参数:衬底/外延材料的选择蒸发速率衬底温度生长的切换,理论挑战:非平衡的动力学过程微观动力学过程介(宏)观结构的关系自组织生长(如量子点阵列)的机制,26,Molecular beam epitaxy(MBE)is used for the growth of semiconducting materials like:i)Group IV eleme
15、ntal semiconductors like Si,Ge,and C ii)III-V-semiconductors:arsenides(GaAs,AlAs,InAs),antimonides like GaSb and phosphides like InP iii)II-VI-semiconductors:ZnSe,CdS,and HgTe,Electrons move in GaAs five times faster than in silicon.,27,The Gas-Source MBE(GS-MBE)III-V semiconductors,group-V material
16、s are hydrides such as arsine(AsH3)or phosphine(PH3)Metalorganic MBE(MO-MBE)group-III materials are metalorganic compounds.e.g.,TEGa(三乙基镓)and TMIn(三甲基铟)Solid-Source MBE(SS-MBE)group-III and-V molecular beams.,Types of MBE,28,Effusion cells,Knudson cell,e-beam evaporator,29,RF plasma source,30,Introd
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