[发明专利]激光脉冲增强型分子束外延系统的PLEES制备系统

说明书

本发明公开了激光脉冲增强型分子束外延系统的PLEES制备系统，涉及纳米级薄膜技术领域；它的制备方法为：纯度为99.95%的Bi₂Te₃靶材和纯度为99.99%的Te靶材按1:1进行拼接形成混合靶材，并被置于外延室内；利用准分子激光器产生的激光束将混合靶材打散形成等离子束，分散的Bi原子和Te原子在另一侧衬底上沉积逐渐生长出纳米级薄膜；本发明的混合靶材能够极好地解决薄膜在生长过程中由于Te原子补充不足而出现的原子空位这个问题；保证了每一层外延膜的元素比例正确和Bi₂Te₃晶体的稳定生长；简化了操作流程，降低了生产成本，提高了薄膜生长速度，同时又能保证薄膜的生长质量。

技术领域

本发明属于纳米级薄膜技术领域，具体涉及激光脉冲增强型分子束外延系统的PLEES制备系统。

背景技术

拓扑绝缘体的研究离不开薄膜技术的发展进步，因为就目前而言，所有的拓扑绝缘体性质包括各种霍尔效应的证实都是在薄膜试样材料上观察得到的。同时，由于在实验室中对拓扑绝缘体材料的探索逐步深入，这就对如何制备高质量拓扑绝缘体薄膜提出了更高要求。目前制备拓扑绝缘体尤其是第二代拓扑绝缘体材料的常见方法如下：磁控溅射，化学气相沉积法(CVD)，金属有机物化学气相法(MOCVD)，分子束外延法(MBE)等。寻找到合适的实验材料，对应最恰当的合成方式，使用最佳的实验条件将对获得高质量的拓扑绝缘体起到重要影响，而制备出高质量的试样材料又对探究其奇异性能有重要意义。

常见的实验室制备拓扑绝缘体方法为MBE(分子束外延)，该系统原理为通过束源炉加热不同靶材产生束流源，不用束流源通过相应比例混合最终沉积在衬底上。该方式制备的薄膜质量高，但是复杂的系统构造和操作方式，高昂的造价，缓慢的生长速度一直限制着制备的发展。而其他设备诸如化学气相沉积，磁控溅射等，虽然效率有所提高，但是由于设备构造和原理问题容易造成制备过程中的元素缺失或者成膜后的质量无法达到最佳状态。

薄膜材料是指厚度介于单原子到几毫米间的薄金属或有机物层。电子半导体功能器件和光学镀膜是薄膜技术的主要应用。薄膜的生长是半导体制造中一项重要的工艺。薄膜生长技术总的来说可以分为物理方法和化学方法。常见的薄膜生长技术包括：热氧化法、物理气相沉积和化学气相沉积。

目前，MBE用于高质量纳米级拓扑绝缘体薄膜的制备。MBE在束源炉(beam sourcefurnace)内通过加热纯靶材产生束流源(beam source)，并将不同靶材束流源喷射到腔体(cavity)内进行外延生长，从而制备拓扑绝缘体薄膜。为了制得高质量纳米级拓扑绝缘体薄膜，在薄膜生长过程中充入过量缺失元素是非常必要的。例如，用MBE制备Bi₂Te₃纳米级拓扑绝缘体薄膜时，需要补充Te元素。这需要对各种元素的束流源流速进行精确把控和实时监测，极大地增加了系统设备成本和制备难度，降低了制备生产效率。然而，其他Bi₂Te₃纳米级拓扑绝缘体薄膜制备法，诸如CVD和磁控溅射，由于无法在制备过程中精准控制元素比例和生长条件，即使在Te元素气氛下退火，也仅仅能保证最外层外延膜的Te元素补充，而其内部还是存在很多空穴，导致薄膜质量不均一。

发明内容

为解决背景技术中的问题；本发明的目的在于提供激光脉冲增强型分子束外延系统的PLEES制备系统。

本发明的激光脉冲增强型分子束外延系统的PLEES制备系统，它的制备方法为：纯度为99.95％的Bi₂Te₃靶材和纯度为99.99％的Te靶材按1:1进行拼接形成混合靶材，并被置于外延室内；利用准分子激光器产生的激光束将混合靶材打散形成等离子束，分散的Bi原子和Te原子在另一侧衬底上沉积逐渐生长出纳米级薄膜。

作为优选，所述衬底被选择为单面抛光的Al₂O₃材料，由于纯净的衬底表面有利于薄膜生长，衬底在使用前被进行了标准清洗流程。