專利名稱：一種極性MgO有序薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈉米級有序薄膜制備領(lǐng)域，具體涉及一種制備極性MgO(111)有序超薄膜的方法，特別是在金屬襯底上制備氧化鎂薄膜時通過對襯底表面的預(yù)處理技術(shù)以及金屬鎂的沉積與氧化等工藝控制表面取向生長，從而獲得高質(zhì)量且穩(wěn)定的超薄氧化鎂薄膜的方法。
背景技術(shù)：
MgO具有很多特殊的性能，在催化劑，彩色等離子顯示屏，壓電陶瓷等方面都有著廣泛的應(yīng)用。作為一種寬帶隙(7.8eV)的絕緣體，MgO在高溫超導(dǎo)薄膜和鐵電陶瓷的穩(wěn)定阻擋層等方面的應(yīng)用也引起了人們廣泛的興趣。目前，氧化鎂薄膜的制備方法主要有真空蒸鍍法、溶膠-凝膠法、分子束外延和化學(xué)氣相沉積法等，上述方法生長的氧化鎂都是沿(100)面的，這是因為該面具有較低的表面能和很強的熱平衡穩(wěn)定性，而對MgO(111)面的薄膜生長還很少有報道。然而，在實際應(yīng)用中，MgO(111)面的作用卻越來越重要，例如MgO(111)薄膜作為緩沖層在藍寶石襯底上生長寬帶隙半導(dǎo)體ZnO時就起著非常關(guān)鍵的作用。因此，探索適合MgO(111)薄膜生長的技術(shù)以及相應(yīng)地提高MgO(111)薄膜質(zhì)量的方法都具有十分重要的意義。由于MgO(111)面的極性不穩(wěn)定性，現(xiàn)有的實驗過程很難制備出完美的MgO(111)單晶薄膜。從微觀的原子結(jié)構(gòu)上來說，MgO(111)面是鎂原子層和氧原子層交替排列而成的，故存在電偶極矩，極不穩(wěn)定。為了達到熱力學(xué)平衡，減少表面能，總是在表面自發(fā)地優(yōu)先形成沿<100>取向的小面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致表面不平整和取向多樣化。因此，發(fā)明一種能抑制MgO(100)小面的產(chǎn)生，有利于MgO(111)面生長的方法，從而獲得原子級平整的高質(zhì)量MgO薄膜的方法便是該生長體系的關(guān)鍵點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可實現(xiàn)氧化鎂有序薄膜的生長，從而制得取向單一、純度高、化學(xué)計量比恰當(dāng)?shù)母哔|(zhì)量超薄MgO有序薄膜的方法。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種極性MgO有序薄膜的制備方法，該方法包括以下步驟首先使鎂源在抽成高真空的真空室內(nèi)蒸發(fā)并沉積在襯底表面，當(dāng)襯底表面上沉積一個原子層厚的鎂層后，向真空室內(nèi)通入氧氣并將襯底溫度從室溫升高至400℃，待襯底溫度穩(wěn)定后停止通氧，使襯底自然冷卻至室溫，再依次重復(fù)上述兩過程交替在襯底表面沉積鎂層、氧層。
進一步，所述鎂源為纏繞在清潔、高純度鎢絲上的鎂帶或鎂絲，鎂帶或鎂絲放入真空室前經(jīng)酒精和丙酮清洗。
進一步，所述經(jīng)清洗后放入真空室內(nèi)的鎂帶或鎂絲經(jīng)直流電流加熱法加熱。
進一步，所述襯底表面經(jīng)清潔處理。
進一步，所述襯底材料為金屬單晶鉬(110)。
進一步，在所述清潔過程中，向所述真空室內(nèi)通入1×10-5Pa的O2，并使襯底在800～900℃溫度下退火10分鐘，再停止通氧氣并迅速將所述襯底加熱至1300℃；重復(fù)上述過程直至得到清潔的襯底，然后使襯底在1800～2000℃下退火。
進一步，在所述鎂源蒸發(fā)過程中其蒸發(fā)速率為0.05～0.2納米/分鐘。在向真空室內(nèi)通入氧氣時，氧氣壓強≤1×10-4Pa，并以每分鐘5～20℃的速率使襯底緩慢升溫至200～450℃，并保持10分鐘。
進一步，所述襯底固定于可繞其中心軸在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)并可在三維方向上移動的傳樣桿上。
進一步，所述襯底溫度是通過恒壓恒流的直流電源產(chǎn)生而由熱偶直接測量。
本發(fā)明方法與現(xiàn)有方法的不同之處主要在于鎂薄層在襯底上的優(yōu)先沉積以及鎂原子層與氧原子層的交替沉積與退火技術(shù)，實驗已經(jīng)證實，氧的優(yōu)先沉積和鎂與氧的共沉積都無法得到完美有序的氧化鎂薄膜。本發(fā)明方法在室溫下優(yōu)先沉積一個單原子層的鎂層，可以有效地阻止氧與襯底的直接相互作用而破壞襯底的晶格對稱性。而鎂原子層與氧原子層的交替沉積，避免了在熱力學(xué)平衡作用下(100)面與(111)面的競爭生長，有利于Mg與O的結(jié)合，并沿具有六角對稱的<111>方向取向生長。另外，在鎂原子層的氧化過程中，適當(dāng)?shù)靥岣咭r底溫度(200～450℃)，有利于鎂的完全氧化和原子的局部遷移，從而形成較完整的晶格結(jié)構(gòu)。但是，如果溫度過高，又會破壞晶格的對稱性，在表面處形成<100>取向的小面結(jié)構(gòu)。鎂源和襯底都經(jīng)清潔處理，保證了MgO薄膜的純潔度，低能電子衍射儀(LEED)觀測結(jié)果表明所得MgO外延膜在小于十個單層時具有完整的六角對稱性，亦沒有小面結(jié)構(gòu)的斑點出現(xiàn)；俄歇電子能譜儀(AES)的原位測試表明該薄膜表面只含有Mg和O兩種元素，而且Mg原子數(shù)與O原子數(shù)之比接近于1∶1的化學(xué)計量比，完全適合應(yīng)用的要求。


圖1為本發(fā)明所用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明制備MgO有序薄膜時利用俄歇電子能譜儀原位測試的能譜圖；圖3為本發(fā)明制備的MgO有序薄膜表面的低能電子衍射圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明進行詳細說明如圖1制備MgO有序薄膜的裝置結(jié)構(gòu)示意圖所示，用離子泵4和分子泵6可將真空室3的氣壓降低至1×10-8Pa；襯底2固定在傳樣桿7上，襯底2采用金屬鉬(Mo)單晶(110)面，傳樣桿7可以繞其中心軸在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)并可在三維方向移動，并且真空室3上還設(shè)有觀察窗5。本發(fā)明在制備高質(zhì)量MgO有序薄膜時，其具體步驟如下一、制作純凈鎂源先將純金屬鎂帶或鎂絲用酒精和丙酮進行清洗后，纏繞在清潔、高純的鎢絲11上，然后將鎢絲11裝入并固定于超高真空室3中；再通過離子泵4和分子泵6將真空室3抽成真空，在超高真空室中，采用直流電流加熱法對鎂源加熱，以除去鎂表面吸附的氣體雜質(zhì)和氧化層，從而得到純凈的鎂；二、對襯底2表面進行清潔處理，即通過在真空室3的氧氣入口1向真空室3內(nèi)通入1×10-5Pa的O2，使襯底2在800～900℃溫度下退火10分鐘，再關(guān)閉氧氣并迅速將襯底加熱至1300℃；按照上述過程反復(fù)操作幾次后，再使襯底2在1800～2000℃下退火，即得到表面完全清潔的Mo(110)襯底；
三、在真空室內(nèi)鎢絲11上的鎂源蒸發(fā)并沉積在襯底2表面，在鎂源蒸發(fā)過程中，用測厚儀測定鎂的蒸發(fā)速率，控制鎂源的蒸發(fā)速率在0.1～0.2nm/min之間；在常溫下，保持上述蒸發(fā)速率在襯底Mo(110)表面上沉積一個原子層(0.25nm厚)的鎂層；四、通過氧氣入口1向真空室3內(nèi)通以壓強≤1×10-4Pa的O2，約2分鐘后，再以5-20℃/min的速率將襯底溫度緩慢地升高至200-450℃，待溫度穩(wěn)定后關(guān)閉氧氣閥，使襯底自然冷卻至室溫；這里選擇緩慢升溫的目的是防止表面金屬鎂原子的脫附；五、依次重復(fù)上述步驟(三)和(四)，即可得到單一取向生長的MgO(111)有序薄膜，并且在此過程中，可用俄歇電子能譜儀9和低能電子衍射儀8原位監(jiān)控薄膜質(zhì)量；上述各步驟中，襯底2的溫度是通過恒壓恒流的直流電源產(chǎn)生并由熱偶直接測量的。
當(dāng)需要一定厚度的氧化鎂層時，可通過計算得到需重復(fù)上述步驟(三)和(四)的次數(shù)，再依次重復(fù)上述步驟(三)和(四)即可實現(xiàn)；另外，如需要氧或鎂結(jié)尾的表面層，都可以通過此技術(shù)實現(xiàn)。
制備過程中或制備完成后，可以隨時利用俄歇電子能譜儀9原位觀測表面元素含量的變化和利用低能電子衍射儀8監(jiān)控MgO薄膜的表面晶格取向以及表面結(jié)構(gòu)的變化。圖2為采用發(fā)明方法制備MgO有序薄膜時利用俄歇電子能譜儀原位測試的能譜圖，該能譜圖清晰地顯示了在薄膜中只含有鎂和氧兩種元素，說明了MgO雜質(zhì)含量很低，而且鎂原子數(shù)與氧原子數(shù)相等，非常符合化學(xué)計量比；圖3是利用低能電子衍射儀對樣品表面進行觀測的衍射圖，圖案顯示的完整對稱的六角斑點說明了MgO薄膜的單一外延取向生長。上述結(jié)果表明本發(fā)明方法制備的薄膜為單一取向生長的MgO(111)有序薄膜。本方法可用于催化劑，高溫超導(dǎo)薄膜，集成電路以及各種鐵電薄膜的絕緣層等的研制中。
權(quán)利要求
1.一種極性MgO有序薄膜的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟首先使鎂源在抽成高真空的真空室內(nèi)蒸發(fā)并沉積在襯底表面，當(dāng)襯底表面上沉積一個原子層厚的鎂層后，向真空室內(nèi)通入氧氣并將襯底溫度從室溫升高至400℃，待襯底溫度穩(wěn)定后停止通氧，使襯底自然冷卻至室溫，再依次重復(fù)上述兩過程交替在襯底表面沉積鎂層、氧層。
2.如權(quán)利要求1所述的極性MgO有序薄膜的制備方法，其特征在于，所述鎂源為纏繞在清潔、高純度鎢絲上的鎂帶或鎂絲，鎂帶或鎂絲放入真空室前經(jīng)酒精和丙酮清洗。
3.如權(quán)利要求2所述的極性MgO有序薄膜的制備方法，其特征在于，所述經(jīng)清洗后放入真空室內(nèi)的鎂帶或鎂絲經(jīng)直流電流加熱法加熱。
4.如權(quán)利要求1所述的極性MgO有序薄膜的制備方法，其特征在于，所述襯底表面經(jīng)清潔處理。
5.如權(quán)利要求1所述的極性MgO有序薄膜的制備方法，其特征在于，所述襯底材料為金屬單晶鉬(110)。
6.如權(quán)利要求4所述的極性MgO有序薄膜的制備方法，其特征在于，在所述清潔過程中，向所述真空室內(nèi)通入1×10-5Pa的O2，并使襯底在800～900℃溫度下退火10分鐘，再停止通氧氣并迅速將所述襯底加熱至1300℃；重復(fù)上述過程直至得到清潔的襯底，然后使襯底在1800～2000℃下退火。
7.如權(quán)利要求1所述的極性MgO有序薄膜的制備方法，其特征在于，在所述鎂源蒸發(fā)過程中其蒸發(fā)速率為0.05～0.2納米/分鐘。在向真空室內(nèi)通入氧氣時，氧氣壓強≤1×10-4Pa，并以每分鐘5～20℃的速率使襯底緩慢升溫至200～450℃，并保持10分鐘。
8.如權(quán)利要求1所述的極性MgO有序薄膜的制備方法，其特征在于，所述襯底固定于可繞其中心軸在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)并可在三維方向上移動的傳樣桿上。
9.如權(quán)利要求1所述的極性MgO有序薄膜的制備方法，其特征在于，所述襯底溫度是通過恒壓恒流的直流電源產(chǎn)生而由熱偶直接測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種極性MgO有序超薄膜的制備方法，該方法包括以下步驟首先使鎂源在抽成真空的真空室內(nèi)蒸發(fā)并沉積在襯底表面，當(dāng)襯底表面上沉積一個原子層厚的鎂層后，向真空室內(nèi)通入氧氣并將襯底溫度從室溫升高至400℃，待襯底溫度穩(wěn)定后停止通氧，使襯底自然冷卻至室溫，再依次重復(fù)上述兩過程交替在襯底表面沉積鎂層、氧層。本發(fā)明方法在室溫下優(yōu)先沉積一個單原子層的鎂層，可以有效地阻止氧與襯底的直接相互作用破壞襯底的晶格對稱性，而鎂原子層與氧原子層的交替沉積，避免了在熱力學(xué)平衡作用下(100)面與(111)面的競爭生長，有利于Mg與O的結(jié)合，并沿具有六角對稱的<111>方向取向生長。
文檔編號C01F5/00GK1958455SQ20061014410
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月27日
發(fā)明者郭沁林, 薛名山 申請人:中國科學(xué)院物理研究所