​分子束外延生长技术在单原子水平上精确构建量子世界

发布时间:2020/11/06 浏览次数:24

超高真空系统要用出气率极低的不锈钢制成,超高真空则由一系列的真空泵组来实现和维持,包括机械泵、涡轮分子泵、离子泵、钛升华泵等等。得益于现代超高真空技术的发展,MBE 系统的真空度一般都能达到优于1×10-10 Torr(乇)的水平。在这个真空度下,即使系统里面的残余气体百分之百地吸附到单晶衬底的表面,铺满一个原子层也需要一小时左右。这时的残留气体以氢气为主,而常温下氢气很难吸附于大部分材料,因此这里无疑是地球上洁净的地方。生长薄膜所用的单晶衬底则要置于衬底加热台上,它位于真空系统的中心位置,其温度的控制与蒸发源类似,都是通过 PID 控制器调控,用以优化生长。用于靶材加热的蒸发源同时指向真空系统的中心(衬底所在处),每个蒸发源可进行独立、的温度控制,以保证稳定的分子束流或原子束流。对大型 MBE 系统而言,如果设计合适,可以安装十几个高纯元素的蒸发源,用于多组分复杂化合物薄膜的制备。

MBE 薄膜生长的实时监测则由反射式高能电子衍射仪(Reflection High Energy Electron Diffraction, RHEED)完成。RHEED电子枪发射的高能电子以掠角入射(小于4度),经过衬底样品表面反射后再以掠角方式到达荧光屏。这种工作机制使得薄膜的生长和实时监测互不干扰,这是 MBE 的另一大优点:在已知的薄膜生长装置中,RHEED 是利用电子作为探针、原位实时监测薄膜生长的设备。通过记录分析 RHEED 的衍射花样和强度,我们可以了解薄膜在生长过程中其表面的平整度、结晶的好坏和晶体结构等重要信息。表面越平整, RHEED 信号就越强,衍射条纹也越长。