專利名稱：一種MBE同質外延生長SrTiO₃薄膜的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生長SrTiO3薄膜的方法，尤其涉及一種同質外延生長具有原子級精度平整和嚴格化學配比的極性SrTiO3(IlO)薄膜的方法。
背景技術：
利用分子束外延(MBE)技術生長薄膜，能夠有效減少缺陷密度，得到高質量的薄膜，比如利用分子束外延生長的半導體GaAs/AKiaAs界面的二維電子氣，其載流子遷移率可以達到 IO7CmW (文獻 1 :D. G Schlom and L. N. Pfeiffer, Nature Mater. 9， 881 (2010))0但是用分子束外延方法制備復雜氧化物SrTiO3薄膜，遇到了很多挑戰(zhàn)。對薄膜成分，特別是金屬陽離子成分的控制一直是分子束外延方法制備多元氧化物SrTiOj^ 膜的重點和難點。另一方面，制備氧化物薄膜所必需的氧氣氛，會使金屬源被氧化，從而引起源蒸發(fā)速率的不穩(wěn)定(文獻 2 :E. S. Hellman and Ε. H. Hartford, J. Vac. Sci. Technol. B 12,1178(1994))。暴露在氧氣氛中的金屬源被氧化后，如果沒有一個實時監(jiān)測束流速率的系統(tǒng)，很難將金屬蒸發(fā)源速率匹配控制在以內，這將直接影響到薄膜的成分與質量(文獻 3 :Μ. Ε. Klausmeier-Brown, J. N. Eckstein, I. Bozovic, and G. F. Virshup, App 1. Phys. Lett. 60,657(1992)；文獻4 :Y. Kasai and S. &ikai，Rev. ki. Instrum. 68，2850 (1997) ·)。 目前常用原子吸收譜和石英振蕩器來對束流速率進行實時監(jiān)控。但是對于生長高質量 SrTiO3薄膜，這些技術的控制精度遠遠不能達到要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服高溫金屬源的速率不穩(wěn)定引起的薄膜成分偏離問題以及傳統(tǒng)方法控制薄膜材料化學配比精度的不足，提供一種MBE同質外延生長SrTiO3薄膜的方法。本發(fā)明提供一種MBE同質外延生長SrTiO3薄膜的方法，包括1)在氧氣氛中于SrTiO3襯底的(110)面上共沉積Ti和Sr，同時對樣品進行反射式高能電子衍射的原位實時監(jiān)測；2)根據(jù)反射式高能電子衍射的特征衍射條紋的圖案的變化來調整Sr束流和Ti束流的比例，使SrTiO3薄膜表面的重構始終圍繞SrTiO3襯底表面的重構進行振蕩。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中所述特征衍射條紋表征SrTiO3薄膜表面的重構。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中所述特征衍射條紋為
方向或[1-10]方向的衍射條紋。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中步驟2)中，通過控制Sr源擋板和Ti源擋板之一的開與關來調整Sr束流和Ti束流的比例。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中步驟2~)中，通過控制Sr源和Ti源的溫度來調整Sr 束流和Ti束流的比例。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中在步驟1)中，使Sr束流快于Ti束流，Sr束流與Ti束流的比例在1.5至3之間。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中在步驟1)中，使Ti束流快于Sr束流，Ti束流與Sr 束流的比例在1.5至3之間。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中在步驟1)中，當控制Sr源擋板的開與關來調整Sr 束流和Ti束流的比例時，使Sr束流快于Ti束流。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中在步驟1)中，當控制Ti源擋板的開與關來調整Sr 束流和Ti束流的比例時，使Ti束流快于Sr束流。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中在步驟幻中，如果在GXl)重構的襯底表面上生長 SrTiOj^膜，則使薄膜表面的重構以0X1)重構-(5X1)重構-0X1)重構-QX8)重構-G X 1)重構-(5 X 1)的順序變化。本發(fā)明提供的方法能夠有效地實現(xiàn)對薄膜成分和結構的控制，得到具有優(yōu)良特性的高質量SrTiO3(IlO)外延薄膜。


以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進一步說明，其中圖1為SrTiO3(IlO)表面結構相圖及對應的反射式高能電子衍射圖案；圖2為根據(jù)實施例1的方法生長的SrTiO3(IlO)薄膜的高分辨透射電鏡表征結果。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種MBE同質外延生長SrTiO3薄膜的方法，在生長過程中利用原位高能電子衍射的特征條紋來監(jiān)控SrTiO3薄膜的生長情況。在生長過程中，SrTiO3(IlO)的表面會根據(jù)Sr和Ti的比例不同(見橫坐標)，而形成不同的重構結構，如圖1所示，例如， 可形成5 X 1重構、4 X 1重構、2 X 8重構、6 X 8重構等，每種重構都對應一套特征條紋，且各套特征條紋互不相同，其中圖1中第二行所示圖片為W01]方向的高能電子衍射的特征條紋，第三行所示圖片為[1-10]方向的高能電子衍射的特征條紋。由于反射式高能電子衍射的特征條紋代表相應的重構，因此特征條紋的亮度變化就反映了對應重構的變化。根據(jù)能量守恒原理，從一種重構A向另一種重構B轉化時，A對應的特征條紋亮度逐漸變暗，而B對應的特征條紋則從暗變亮。在同質外延生長薄膜的過程中，所沉積的Sr(或Ti)首先會去補償基片表面過量的Ti(或Sr)，形成1 1的SrTiO3結構，然后相同比例部分的Sr與Ti再結合形成SrTiO3, 最終過量的Ti (或Sr)則會在薄膜表面通過重構的形式存在，因此如果薄膜表面的重構能夠與襯底表面重構相同，那么說明生長過程中Sr與Ti的束流比即為1 1，制備的SrTiO3 薄膜則為完美的化學配比，沒有成分偏析或結構偏離。也就是說，束流比精確為1 IWSr 和Ti會形成完美化學配比的SrTiO3,過量的Sr或Ti則以重構的形式表現(xiàn)在薄膜表面上。 如果Sr和Ti的束流匹配(即束流比例為1 1)，則襯底表面的重構會隨著生長向上“推移”，因此生長時應使SrTiO3(IlO)薄膜表面的重構始終圍繞襯底表面的重構。本發(fā)明通過實時監(jiān)控SrTiO3薄膜的高能電子衍射的特征條紋(該特征條紋為表征表面重構的條紋)，并根據(jù)特征條紋的圖案變化來調整Sr和Ti的束流比例，如果在 (4X1)重構的襯底表面上生長SrTiOj^膜，則使薄膜表面的重構以0X1)重構-(5X1)重構44X1)重構42X8)重構44X1)重構-(5X1)的順序進行調節(jié)，即使生長的SrTiO3 薄膜的表面始終圍繞GXl)重構進行轉換。實施例1本實施例提供一種MBE同質外延生長SrTiO3薄膜的方法，包括1)處理基片選擇普通市售SrTiO3(IlO)基片作為襯底，利用濺射劑量為 500eV/2. 0 μ A/10min的Ar離子濺射，然后在1000°C下超高真空退火，得到具有單相0X 1) 重構的SrTiO3(IlO)表面，這是SrTiO截止面；2) SrTiO3 (110)薄膜的制備加熱襯底至800°C，在氧氣氛中共沉積Ti和Sr，同時對樣品進行反射式高能電子衍射的原位實時監(jiān)測，選擇W01]方向的衍射條紋(如圖1中第二行所示)作為特征衍射條紋，通過特征衍射條紋的圖案的變化來控制Ti源和Sr源的擋板的開與關。其中，步驟2)包括a)在共沉積Ti和Sr的初始階段，使Sr的束流為Ti的束流的兩倍，由于Sr過量， 薄膜表面的重構將逐步由襯底原來的GXl)重構朝向(5X1)重構轉變；b)當特征衍射條紋顯示為(5X1)重構時，關閉Sr源的擋板，此時Ti將逐漸補償過量的Sr，薄膜表面的重構重新逐步回到0X1)重構，經(jīng)過一段時間后，由于Sr源的擋板關閉，將導致Sr缺乏而Ti過量，薄膜表面的重構朝向QX8)重構轉變；c)當特征衍射條紋顯示為QX8)重構時，打開Sr源擋板，由于Sr的束流是Ti的束流的兩倍，因而過量的Ti通過Sr得到補償，薄膜表面的重構逐步轉變成0X1)重構，經(jīng)過一段時間后，由于Sr源擋板打開，Sr會過量，薄膜表面的重構會朝向(5X1)重構轉變；d)當特征衍射條紋顯示為(5X1)重構時，關閉Sr源的擋板，重復步驟b)、C)。由此可見，根據(jù)反射式高能電子衍射的特征衍射條紋的圖案來控制Sr源擋板的開與關，能夠使生長的SrTiO3(IlO)薄膜的表面始終圍繞GXl)重構進行轉換，因此能夠在GXl)重構的襯底上生長出晶體質量優(yōu)異的SrTiOj^膜，克服束流Sr源和Ti源的速率不穩(wěn)定引起的薄膜成分偏離的問題，可有效地控制薄膜的材料化學配比。根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，其中還可以選擇[1-10]方向的對應于GXl)重構的衍射條紋(如圖1中第三行所示)作為特征衍射條紋，觀察特征衍射條紋的圖案變化。圖2是用本實施例生長的SrTiO3(IlO)薄膜的高分辨透射電鏡表征結果。從圖2 可以看出，利用本方法制備出的薄膜能夠很好地外延在基底上。根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，其中步驟1)中處理基片的方法不限于上述方法，可以采用本領域公知的其他方法形成具有所需重構的SrTiO3襯底表面。生長SrTiO3薄膜過程中，使SrTiO3薄膜表面的重構始終圍繞襯底表面的重構進行轉換，這樣可生長出晶體質量優(yōu)異的SrTiO3薄膜。根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，其中SrTiOj^膜制備過程中，襯底優(yōu)選被加熱至 800-900°C。根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，其中處理基片的方法不限于上述方法，也可以采用其他本領域技術人員公知的方法來處理基片從而得到具有所需重構的襯底表面。根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，其中也可以使Sr源擋板常開，而控制Ti源擋板的打開與關閉，同樣可以實現(xiàn)本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，其中使Sr束流快于Ti束流時，優(yōu)選Sr束流與Ti束流的比例在1.5至3之間。根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，其中使Ti束流快于Sr束流時，優(yōu)選Ti束流與Sr束流的比例在1.5至3之間。根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，其中除了上述實施例中根據(jù)特征衍射條紋圖案的變化來控制Sr源擋板的打開與關閉外，還可以通過控制Sr源的溫度來達到調整Sr/Ti束流比例的目的，即將上述實施例的方法中關閉Sr源擋板的動作，替換成降低Sr源溫度，將打開 Sr源擋板的動作替換成升高Sr源溫度。也可以采用其他本領域技術人員公知的方法來調整Sr束流和Ti束流的比例。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種MBE同質外延生長SrTiO3薄膜的方法，包括1)在氧氣氛中于SrTiO3襯底的(110)面上共沉積Ti和Sr，同時對樣品進行反射式高能電子衍射的原位實時監(jiān)測；2)根據(jù)反射式高能電子衍射的特征衍射條紋的圖案的變化來調整Sr束流和Ti束流的比例，使SrTiO3薄膜表面的重構始終圍繞SrTiO3襯底表面的重構進行轉換。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述特征衍射條紋表征SrTiO3薄膜表面的重構。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述特征衍射條紋為
方向或[1-10]方向的衍射條紋。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟幻中，通過控制Sr源擋板和Ti源擋板之一的開與關來調整Sr束流和Ti束流的比例。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟幻中，通過控制Sr源和Ti源的溫度來調整 Sr束流和Ti束流的比例。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中在步驟1)中，使Sr束流快于Ti束流，Sr束流與 Ti束流的比例在1.5至3之間。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中在步驟1)中，使Ti束流快于Sr束流，Ti束流與 Sr束流的比例在1.5至3之間。
8.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中在步驟1)中，當控制Sr源擋板的開與關來調整 Sr束流和Ti束流的比例時，使Sr束流快于Ti束流。
9.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中在步驟1)中，當控制Ti源擋板的開與關來調整 Sr束流和Ti束流的比例時，使Ti束流快于Sr束流。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中在步驟幻中，如果在GXl)重構的襯底表面上生長SrTiOj^膜，則使薄膜表面的重構以0X1)重構-(5X1)重構-0X1)重構-QX8) 重構44X1)重構-(5X1)的順序轉換。
全文摘要
本發(fā)明提供一種MBE同質外延生長SrTiO3薄膜的方法，包括在氧氣氛中于SrTiO3襯底的(110)面上共沉積Ti和Sr，同時對樣品進行反射式高能電子衍射的原位實時監(jiān)測；根據(jù)反射式高能電子衍射的特征衍射條紋的圖案的變化來調整Sr束流和Ti束流的比例，使SrTiO3薄膜表面的重構始終圍繞SrTiO3襯底表面的重構進行轉換。
文檔編號C30B29/32GK102492985SQ20111044776
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權日2011年12月28日
發(fā)明者馮加貴, 楊芳, 汪志明, 郭建東 申請人:中國科學院物理研究所