Ga_(x)N_(2)∶Zn_(3-x)薄膜的分子束外延生长及其光学和电子输运性能表征

本文采用分子束外延技术,通过对金属分子束的精确控制,在MgO(002)基底上成功生长了Ga_(x)N_(2)∶Zn_(3-x)合金薄膜.高分辨率单晶X光衍射仪表征结果表明Ga_(x)N_(2)∶Zn_(3-x)合金薄膜仍是以(400)Zn_(3)N_(2)为主导的复合晶体结构,对衍射数据的分析得到该薄膜晶粒尺寸小.用扫描电子显微镜和能谱射线分析仪对其表面和成分做了深入的分析和讨论,在固定的金属流量比的生长环境下,不同厚度的样品在成膜后x均为0.65,化学通式Zn_(2.35)Ga_(0.65)N_(2).该结果表明Ga元素属于重度掺杂,同时也体现了分子束外延技术在共掺杂技术中的优越性.本文也测量并讨论了Zn_(2.35)Ga_(0.65)N_(2)薄膜的光学性能,实验得到的1.85 eV的光学带隙与理论推算基本吻合,说明Ga的掺入有Ga-N结构的形成.同时也说明,Ga元素的掺入,实现了对Zn_(3)N_(2)薄膜的光学带隙的调控.最后对该薄膜的电子输运性能进行表征,测量结果表明其为p型半导体薄膜.本文的实验技术和结果也为今后对Zn类化合物半导体的研究奠定了基础.

β-Ga_2O_3薄膜的分子束外延生长及其紫外光敏特性研究

采用分子束外延(MBE)方法在Al2O3(0001)基片上生长了β-Ga2O3薄膜,利用XRD、SEM和AFM对薄膜的结构和形貌特性进行了表征。制作了基于β-Ga2O3薄膜的金属-半导体-金属(MSM)结构紫外探测器并对其进行了电学特性测试,结果表明:在20 V偏压下,器件的暗电流为8 nA;在波长为254 nm、光照强度为13×10–6W/cm2的紫外光照射下,器件的光电流为624 nA;器件的光电流与暗电流比值为78,光响应度达360 A/W,表现出明显的日盲紫外光响应特性。

稀磁半导体TiMnO_2分子束外延生长和磁学性质

用分子束外延生长的Mn掺杂的宽带半导体TiO2薄膜研究了结晶质量与磁性质的关系。以慢速率生长的外延薄膜具有好的晶体结构,而以快速率生长的外延薄膜具有很多空位。X射线光电子能谱显示Mn2+与缺陷之间存在相互作用。与具有缺陷的Mn∶TiO2薄膜不同的是,具有好的结晶质量的Mn∶TiO2薄膜没有磁性,这说明室温稀磁性质与材料的结构缺陷具有很大的联系。

生长气压对分子束外延β-Ga_(2)O_(3)薄膜特性的影响

本文采用分子束外延技术在具有6°斜切角的c面蓝宝石衬底上外延β-Ga_(2)O_(3)薄膜,系统研究了生长气压对薄膜特性的影响。X射线衍射谱和表面形貌分析表明,不同生长气压下所外延的薄膜表面平整,均具有(201)择优取向。并且,其结晶质量和生长速率均随生长气压增大而逐渐提高。通过X射线光电子能谱分析发现,生长气压增大使得氧空位的浓度大幅下降,高价态Ga比例增大,最终使得O/Ga原子数之比接近理想Ga_(2)O_(3)材料的化学计量比值。利用Tauc公式和乌尔巴赫带尾模型进行计算,结果表明随着生长气压的增大,样品的光学带隙由4.94 eV增加到5.00 eV,乌尔巴赫能量由0.47 eV下降到0.32 eV,证明了生长气压的增大有利于降低薄膜中的缺陷密度,提高薄膜晶体质量。

Bi_2Sr_2CaCu_2O_(8+δ)薄膜的分子束外延法制备及结晶性

在BiO-(Sr+Ca)O-CuO相图上的Bi_2Sr_2CaCu_2O_(8+δ)(Bi-2212)相附近选择不同成分,用分子束外延法制备成薄膜,利用XRD,EDS,SEM和AFM研究了成分、衬底温度和臭氧分压对Bi-2212相薄膜成相的影响,分析了生长速率和错配度对Bi-2212相薄膜质量的影响。结果表明,Bi-2212相薄膜单相生成的成分范围(原子分数)分别为Bi 26.3%—32.4%, (Sr+Ca)37.4%—46.5%,Cu 24.8%—32.6%;当衬底温度为720℃且臭氧分压为1.3×10^(-3)Pa时,在MgO(100)衬底上生长出质量较高的c轴外延Bi-2212相薄膜;通过调整生长速率、更换衬底和插入不同厚度的Bi_2Sr_2CuO_(6+δ)过渡层的方法,可以改善Bi-2212相薄膜的结晶质量、表面形貌和导电特性。

无倾斜选择的分子束外延模型变步长BDF2格式的最优误差估计

对于没有斜率选择的分子束外延模型,具有可变时间步长的两步向后微分公式(BDF2)的稳定性和收敛性仍未被完全解决。在本文中,我们首先证明了该BDF2格式在新的相邻时间步长比条件下保持修正的能量耗散定律:r_(k)=τ_(k)/τ_(k-1)≤4.8645-δ,其中δ>0是给定的任意小常数。然后,我们介绍了最近发展的离散正交卷积(DOC)和离散互补卷积(DCC)核技巧,并在新的比率条件r_(k)≤4.8645-δ下给出了BDF2格式的鲁棒且最优的二阶收敛性。鲁棒性意味着,除了r_(k)≤4.8645-δ以外,收敛性不需要其他时间步长上的约束条件。此外,我们的分析表明,使用一阶BDF1格式计算第一步数值解足以确保全局最优收敛阶。也就是说,选择BDF1格式计算起始步的数值解不会导致全局二阶收敛的损失。数值算例验证了我们的理论分析。

电子束外延生长Er_2O_3单晶薄膜

使用电子束外延的方法在p型Si(001)和Si(111)衬底上,在700℃、7×10-6Torr的条件下首次实现了Er2O3单晶薄膜的生长。薄膜的结晶情况依赖于薄膜的生长温度和氧气压。在较低的温度和较低的氧气压下在薄膜内容易生成硅化铒,薄膜也趋于多晶化。而且,生长在SiO2/Si衬底上的Er2O3单晶薄膜的结晶情况和表面粗糙度比生长在清洁的Si衬底上的薄膜要好很多。

GaAs(100)上外延Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3(101)铁电薄膜的制备与性能研究

采用激光分子束外延技术,在GaAs(100)衬底上,利用SrTiO_3(STO)/TiO_2复合缓冲层生长外延Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3(PZT)铁电薄膜。TiO_2/STO复合缓冲层的引入用来减小晶格失配和界面互扩散,达到提高外延PZT铁电薄膜的结晶质量和电学性能的目的。TiO_2和STO的生长通过原位反射高能电子衍射仪(RHEED)实时监控。该异质结构的面外外延关系为PZT(101)//STO(110)//TiO_2(110)//GaAs(100)。PZT/STO/TiO_2/GaAs异质结构在电场为-250×10~3V/cm时漏电流密度低于1×10^(-6)A/cm^2,剩余极化强度(2P_r)高达24×10^(-6)C/cm^2。此外,在模拟太阳光(AM1.5G)照明下,这种异质结构通过剩余极化增强的光电转换效率为10.01%。

拓扑绝缘体(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜制备及其电输运性能研究

文章利用分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)法,在超高真空的条件下,于蓝宝石衬底上制备超薄的高质量拓扑绝缘体(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜。利用反射高能电子衍射(reflection high-energy electron diffraction, RHEED)仪、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)仪、显微共焦激光拉曼光谱仪(micro confocal laser Raman spectrometer)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)仪对不同Sb掺杂量的样品进行表征,并获得最佳的制备参数。研究结果表明:衬底温度为460℃时Bi和Te的流量比为1∶16左右;在Sb温度为350、360、370、380℃时,可以制得高质量的(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜。利用霍尔效应测量系统测量样品的电阻率、霍尔系数、迁移率和载流子浓度;测量结果表明,(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜的载流子浓度和主要载流子类型随x的变化而发生相应的变化,并伴随着费米能级位置的调谐,随着x的增加,在x=0.53到x=0.68的掺杂过程中,费米能级从导带下移到带隙,最终进入价带,多数载流子类型也从自由电子转变成空穴,(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)实现了从n型到p型的转化。

生长温度对Cr原子掺杂在Bi_(2)Se_(3)中位置及磁性的影响

本文报道用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy:MBE)技术制备了优良的铬(Cr)掺杂硒化铋(Cr-Bi_(2)Se_(3))薄膜样品。通过反射高能电子衍射(Reflective High Energy Electron Diffraction:RHEED)、X射线衍射(X-ray diffraction:XRD)技术和电磁输运系统对Cr-Bi_(2)Se_(3)进行测试。实验结果显示:较低的生长温度下Cr进入Bi_(2)Se_(3)中替代Bi位形成Cr Bi;较高的生长温度下Cr进入Bi_(2)Se_(3)中的范德瓦尔斯间隙形成层间(Interlayer)CrI,这一区别导致Cr-Bi_(2)Se_(3)在生长速率及磁性等方面表现出不同的性质。所以可以通过控制生长温度来调制Cr的掺杂位置,得到更理想的效果。

硅基PbSe/BaF_2/CaF_2薄膜及其光电特性

采用分子束外延方法在 Si(111)衬底上生长了 Pb Se/ Ba F2 / Ca F2 薄膜 ,扫描电镜和 X-光衍射分析显示 ,通过生长 Ba F2 / Ca F2 缓冲层的方法 ,在 Si(111)衬底上外延的 Pb Se薄膜晶体质量高 ,Pb Se表面光亮 ,无开裂现象发生 ,X-光衍射峰峰宽窄 (15 3arcs) .外延生长的 Pb Se薄膜被应用于制作光电二极管 ,首次采用热蒸发金属铝膜在 Pb Se表面形成 Al- Pb Se肖特基结光电二极管 ,获得了比 Pb- Pb Se肖特基结更为稳定和理想的电流

Sb_2Te_3拓扑绝缘体薄膜的MBE制备研究

文章以高纯Sb和Te为锑源和碲源,使用分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)设备,在超高真空条件下外延生长拓扑绝缘体薄膜。通过XRD(X-ray diffraction)、SEM(scanning electron microscope)等检测手段对薄膜样品进行物像和表面分析,研究了不同衬底温度、束流大小和束流比、生长时间等因素对薄膜质量的影响。

采用N_2-RF等离子体氮化GaAs(001)(英文)

研究了在MBE系统中 ,GaAs( 0 0 1 )表面的氮化过程。GaAs( 0 0 1 )表面直接和间接地暴露在等离子体激发的N2 气流下。两种氮化过程显示了完全不同的表面氮化结果。在打开N2 发生器挡板的情况下 ,氮化导致GaAs( 0 0 1 )表面损伤 ,并且形成多晶结构。当增加N2 气压时 ,损伤变得更严重。但是 ,在关闭N2 发生器挡板的情况下 ,在 5 0 0℃下 ,经过氮化将观察到 ( 3× 3)再构的RHEED花样 ,表面仍保持原子级的平整度。上述结果表明 ,不开N2 发生器挡板 ,低温 ( 5 0 0℃下 )氮化将在GaN外延生长之前形成平整的薄层c GaN。

Si2O3粒径对传感器用L-MBE沉积Pt/ZnMgO/Si2O3导电性能和组织的影响

为了提高高温下声表面传感器导电稳定性,采用激光分子束外延方(L-MBE)法沉积制备Pt/ZnMgO/Si2O3三层薄膜,通过实验测试的方式研究Si2O3粒径对其导电性能和结构的影响,重点研究了薄膜受到高温作用时发生的导电性变化及其微观组织结构的转变。研究结果表明:不同Si2O3粒径下Pt/ZnMgO/Si2O3三层薄膜电阻表现为和温度相近的变化规律,当温度上升后都发生了缓慢增大。当薄膜表面Si2O3粒径为60μm时,电阻发生明显变化的温度依次为1100℃与1150℃。粒径达到90μm以上的薄膜经过保温后电阻保持基本恒定。对200μm粒径Si2O3膜薄膜进行热处理形成了平整表面,生成了许多小尺寸晶粒。随着Si2O3粒径降低,表面区域产生了更大外径尺寸的Pt颗粒,形成了部分Pt微孔。提高Si2O3粒径后,形成强度较低的Pt(111)衍射峰,以及更大半峰宽。Pt(111)衍射峰峰半高宽随Si2O3粒径增加表现出降低变化。

掺Mn拓扑绝缘体Bi_2Se_3薄膜的制备及其电磁特性研究

文章利用分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)法在蓝宝石衬底上制备拓扑绝缘体Bi_2Se_3和掺杂Mn的拓扑绝缘体Bi_2Se_3的异质结薄膜。利用反射高能电子衍射仪(reflection high-energy electron diffraction,RHEED)和X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)对不同条件制备的样品晶相进行分析,获得最优的制备参数,主要包括衬底温度为390℃、Bi和Se的流量比为1∶10以及Mn流量对应的温度为590℃;利用综合物性测量系统(physical property measurement system,PPMS)测量了样品的温度电阻、磁电阻和霍尔电阻。测量结果表明,与纯Bi_2Se_3薄膜相比,Bi_2Se_3和掺杂Mn的Bi_2Se_3构成的异质结薄膜的电阻随温度的升高表现出金属性-绝缘性的转变和更强的磁阻特性,而且由于异质层间的近邻效应导致异质薄膜表现出p型导电特性。

衬底温度对Bi_2Se_3拓扑绝缘体薄膜生长影响的研究

文章利用分子束外延方法在蓝宝石衬底上制备Bi_2Se_3拓扑绝缘体薄膜,研究衬底温度对薄膜生长质量的影响。首先对370、380、390、400℃衬底温度下生长的Bi_2Se_3薄膜样品,利用反射高能电子衍射仪(reflection high-energy electron diffraction,RHEED)、原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)进行表面形貌的表征;利用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)和X射线能谱仪(energy dispersive X-ray spectroscopy,EDS)对样品的晶相和化学组分进行分析筛样。结果表明,衬底温度为390℃时制备的Bi_2Se_3薄膜表面平整、成分接近理想配比、结晶质量较好。最后利用综合物性测量系统测量了最佳衬底温度制备的样品的电学性质,表明样品为n型拓扑绝缘体薄膜。

TiO2/Bi2Se3复合材料的制备及光电化学性能

以二氧化钛(TiO2)为衬底,利用分子束外延(MBE)法制备了高质量的拓扑绝缘体硒化铋(Bi2Se3)薄膜。实验中,Bi与Se的流量比控制在1∶10左右,制得的薄膜厚度约为50 nm。利用反射高能电子衍射仪,对在TiO2(001)衬底上生长的Bi2Se3薄膜样品表面进行原位表征,可以看到清晰明亮的衍射条纹。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见-近红外分光光度计和电化学工作站等测试手段对TiO2/Bi2Se3的晶体结构、表面形貌、光学和光电化学性质进行表征。结果表明,经Bi2Se3改性后的TiO2薄膜,在可见-红外区仍有较强的吸收峰,与纯TiO2薄膜相比,大大提高了其对太阳光的吸收利用率。在Bi2Se3和TiO2上分别蒸镀铟电极和金电极,将其制成光伏型光电探测器,并测试了样品在不同波长激光下的光响应特性及高频响应速度。

激光辐照VO_2薄膜温度场分布及透射特性研究

为了探究VO_2薄膜受激光辐照的温度场分布,以及1 064 nm激光直接辐照100 s内至相变的激光功率密度阈值,并比较近红外和中红外波段透过率调制特性差异。首先基于COMSOL建立了薄膜受激光辐照的模型并进行了温度场仿真,然后分别测试了薄膜正反面被不同功率密度的1 064 nm激光辐照100 s内激光透过率随时间响应特性。实验中的VO_2薄膜利用分子束外延法在Al_2O_3基底上制备得到。仿真结果表明,激光功率密度为25 W獉mm^(-2)时,50 nm厚薄膜在被辐照1 ms时间内即达到相变温度。经激光辐照实验发现:50 nm厚的VO_2薄膜正反面受1 064 nm激光直接辐照100 s内至相变的功率密度阈值分别为4.1 W獉mm^(-2)和5.39 W獉mm^(-2)。30 nm厚VO_2薄膜对1 064 nmn激光的透过率调制深度约为13%,对3 459 nm激光透过率调制深度约62%,说明VO_2薄膜对近红外透过率调制特性不明显。

MBE法制备VO_2薄膜及其中红外调制深度测量

为了给VO_2薄膜在定向红外对抗系统防护方面的应用提供理论依据,我们用透过率调制深度表征VO_2薄膜在中红外波段的相变特性。本实验利用分子束外延法(MBE)制备VO_2外延单晶薄膜,经XRD、AFM表征,发现其具有(020)择优取向、纯度较高,薄膜表面平整、均匀且致密。经VU-Vis-IR测量发现其近红外透过率相变特性显著,但在紫外和可见光范围内透过率相变特性较不明显。然后我们对制备时间为30 min、40min的两组薄膜分别进行25~70℃的升温和降温实验,观察其对波长为3 459 nm、脉宽50 ns、重频50 k Hz、功率密度0.14 W/cm2的中红外激光的透过率变化,并比较两组薄膜的温滞曲线特性。实验发现它们对中红外透过率的调制深度均可达60%以上,前者比后者对中红外的调制深度高出约4%。这说明利用分子束外延法制备的VO_2单晶薄膜具有良好的中红外调制特性,且调制深度和膜厚有关。进一步表明了利用VO_2薄膜实现中红外激光防护具有一定的可行性。

单晶Tm_2O_3薄膜的制备与F-N隧穿机制

采用分子束外延方法结合原位退火生长技术在Si(001)衬底上制备了Tm2O3薄膜,XRD测量结果表明所制备样品为单晶Tm2O3.在低温环境下,采用MOS电容结构对薄膜进行I-V测试,研究了样品的F-N隧穿特性,得出Pt/Tm2O3和Al/Tm2O3的势垒高度分别为2.95,1.8eV.从能带的角度表明Tm2O3是一种高K栅介质候选材料.