以原子作砖块的建筑术——简介分子束外延技术

一、引言分子束外延技术(简称MBE)是制备超薄多层晶体膜的技术之一.它制做的薄膜厚度可以薄到单原子层或单分子层的厚度,这就意味着如同用砖砌墙一样,可以用各种分子或原子“垒”出新的晶体材料,使其具有人们希望的性质,有人称其为“能带工程”,还有人比拟为生物学中的遗传工程、MBE技术已在半导体材料,器件和物理几方面都引起了巨大变化,取得很多重要成果,形成了新的研究领域.     

InGaAsSb量子阱的MBE生长和光致发光特性研究

采用分子束外延(MBE)技术生长InGaAsSb多量子阱结构,利用光致发光光谱对材料的生长特性进行了研究.研究了衬底温度对材料激发光谱强度的影响,探索了发光波长与有源层量子阱厚度的关系.发现外延生长时衬底温度对材料的质量有重要影响;在一定范围内,量子阱厚度不断增加会导致材料的光致发光波长增加.     

分子束外延ZnSe/GaAs材料的拉曼散射研究

用分子束外延(MBE)技术，在GaAa(100)衬底上生长了厚度从0．045μm到1．4μm的ZnSe薄膜。通过室温拉曼光谱的测量对ZnSe薄膜纵光学声子(Longitudinal-opticalphonon)的谱形进行了分析。用拉曼散射的空间相关模型定量分析了一级拉曼散射的型间相关长度与晶体质量之间的关系，结果表明ZnSe外延层的晶体质量随着外延层厚度的减薄是渐渐退化的，这是由于界面失配位错引入外延层所致，理论分析与实验结果相吻合。     

二维磁性过渡金属卤化物的分子束外延制备及物性调控

二维磁性材料的自发磁化可以维持到单层极限下,为在二维尺度理解和调控磁相关性质提供了一个理想的平台,也使其在光电子学和自旋电子学等领域具有重要的应用前景.晶体结构为层状堆叠的过渡金属卤化物具有部分填充的d轨道和较弱的范德瓦耳斯层间相互作用等特性,是合适的二维磁性候选材料.结合分子束外延(MBE)技术,不仅可以精准调控二维磁性材料生长达到单层极限,而且可以结合扫描隧道显微术等先进实验技术开展原子尺度上的物性表征和调控.本文详细介绍了多种二维磁性过渡金属卤化物的晶体结构和磁结构,并展示了近几年来通过MBE技术生长的二维磁性过渡金属卤化物以及相应的电学和磁学性质.随后,讨论了基于MBE方法对二维磁性过渡金属卤化物的物性进行调控的方法,包括调控层间堆垛、缺陷工程以及构筑异质结.最后,总结并展望了二维磁性过渡金属卤化物研究领域在未来的发展机会与挑战.     

强力、弱力和电磁力的大统一(Ⅴ)

 天然放射性的发现打破原子“永恒不变”的神话之后,比原子-分子尺度要小得多的亚原子粒子陆续发现:1897年,J. J. 汤姆生通过测定阴极射线的荷质比发现了第一个亚原子粒子,称其为“微粒”,并将其所带电荷称为“电子”.     

分子电子学

 一、什么是分子电子学分子电子学(molecularelectronics),是指用有机功能材料的分子构筑电子线路的各种元器件,如分子开关、分子整流器、分子晶体管等,并测量和解析这些分子尺度元器件的电特性或光特性的一门学科。20世纪是无机半导体的世纪,21世纪将是有机分子电子学的世纪。科学家们根据摩尔定律预测,无机半导体集成电路的发展,将在2020年左右达到极限。随着人类进入信息时代,电子技术要求器件和系统向“更小”“更快”“更冷”的方向发展。     

In插入层对硅衬底外延InN晶体质量和光学特性的影响

在Si（111）衬底上分别预沉积0,0.1,0.5,1 nm厚度的In插入层后,采用等离子辅助分子束外延法制备了纤锌矿结构的InN材料,结合X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、吸收谱及光致发光谱研究了不同厚度的In插入层对外延InN晶体质量和光学特性的影响。XRD和SEM的测试结果表明,在Si衬底上预沉积0.5 nm厚的In插入层有利于改善外延InN材料的形貌,提高材料的晶体质量。吸收谱和光致发光谱测试表明,0.5 nm厚In插入层对应的InN样品吸收边蓝移程度最小,光致发射谱半峰宽最窄,并且有最高的带边辐射复合发光效率。可见,引入适当厚度的InN插入层可以改善Si衬底上外延InN材料的晶体质量和光学特性。     

In插入层对硅衬底外延InN晶体质量和光学特性的影响

在Si(111)衬底上分别预沉积0,0.1,0.5,1 nm厚度的In插入层后,采用等离子辅助分子束外延法制备了纤锌矿结构的InN材料,结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、吸收谱及光致发光谱研究了不同厚度的In插入层对外延InN晶体质量和光学特性的影响。XRD和SEM的测试结果表明,在Si衬底上预沉积0.5 nm厚的In插入层有利于改善外延InN材料的形貌,提高材料的晶体质量。吸收谱和光致发光谱测试表明,0.5 nm厚In插入层对应的InN样品吸收边蓝移程度最小,光致发射谱半峰宽最窄,并且有最高的带边辐射复合发光效率。可见,引入适当厚度的InN插入层可以改善Si衬底上外延InN材料的晶体质量和光学特性。     

原子氢辅助分子束外延GaAs(331)A表面形貌演化

研究了GaAs高指数面(331)A在原子氢辅助下分子束外延形貌的演化.原子力显微镜测试表明：在常规分子束外延情况下,GaAs外延层台阶的厚度和台面的宽度随衬底温度的升高而增加,增加外延层厚度会导致台阶的密度和台面的宽度增加然后饱和.而在原子氢辅助分子束外延情况下,当GaAs淀积量相同时GaAs外延层台阶的密度增大宽度减小.认为这是由于原子氢的作用导致Ga原子迁移长度的减小.在GaAs(331)A台阶基底上生长出InAs自组织纳米线,用光荧光测试研究了其光学各项异性特征.     

神奇的纳米技术

 一、科学巨匠遭冷遇,柳暗花明又一村著名物理学家,诺贝尔奖获得者理查德·费恩曼在1959年12月29日召开的美国物理年会上满怀激情地发表了《底层大有可为》的报告,大胆提出“用原子搭积木”的设想。他说:“当我们深入并游荡在原子周围,我们将按照不同的定律活动,会遇到许许多多新奇的事情,能以全新的方式生产,完成异乎寻常的工作。”并提出“我们为什么不可以从单个分子甚至原子开始进行组装,达到我们的要求?”当时连分子、原子是什么样都看不着,谈何对原子进行操纵组装呢?简直是痴人说梦。     

气相沉积技术在原子制造领域的发展与应用

随着未来信息器件朝着更小尺寸、更低功耗和更高性能方向的发展,构建器件的材料尺寸将进一步缩小.传统的"自上而下"技术在信息器件发展到纳米量级时遇到瓶颈,而气相沉积技术由于其能在原子尺度构筑纳米结构引起极大关注,被认为是最有潜力突破现有制造极限进而在原子尺度构造、搭建物质形态的"自下而上"方法.本文重点讨论适用于低维材料的原子尺度制造的分子束外延技术和原子层沉积/刻蚀技术.简要介绍相关技术中蕴含的科学原理及其在纳米信息器件加工和制造领域的应用,并探讨如何在原子尺度实现对低维功能材料厚度和微观形貌的精密控制.     

高能电子衍射研究H钝化偏角Si衬底上Si,GexSi1-x的分子束外延生长模式

用高能电子衍射(RHEED)研究H钝化偏角Si衬底上Si,Ge_xSi_1-x材料的分子束外延(MBE)生长模式,发现经低温处理的H钝化Si衬底上要经过10nm左右的Si生长才能获得比较平整的表面.Si,Ge_xSi_1-x外延时的稳定表面均以双原子台阶为主,双原子台阶与单原子台阶并存的结构.Si双原子台阶上的Si二聚体列(dimerrow)取向垂直于台阶边缘,而Ge_xSi_1-x双原 关键词：     

超高真空构筑新型二维材料及其异质结构

由于量子受限效应,二维材料表现出很多三维材料所不具备的优异电学、光学、热学以及力学性能,为研究人员所关注.材料的优异物性离不开高质量材料的制备,超高真空环境可以减少杂质分子的污染与影响,提高二维材料的质量与性能.本文介绍基于超高真空环境的新型二维原子晶体材料的原位制备方法,包括利用分子束外延构筑新型二维材料、利用石墨烯插层构筑新型二维原子晶体材料异质结构以及利用扫描探针原位操纵构筑二维材料异质结构三大类.文章回顾利用这三类方法构筑的二维材料及其物理化学性质,比较三种方法各自的优势与局限性,对未来二维材料制备提供一定的指引.     

“介观”物理中的量子弹道输运和相干输运

 随着分子束外延技术的进步以及光学和电子束微刻技术的日臻完善,目前人们已能制造具有高电子迁移率的亚微米尺度的微结构器件。在毫K的低温下,高迁移率材料中的电子,接连两次非弹性散射间所走过的平均距离,称作电子的相位相干长度,可达到微米以上,超过微结构的尺度。这种系统的物理性质完全受电子的量子力学相干性所支配。由此,物理学中又开辟了一个新的分支领域,即“介观”(mcsoscopic)物理学。所谓“介观”系统,是指它的尺度与宏观系统相比显得足够小,但与原子-分子系统相比又足够大,是介于两者之间。“介观”系统中的电子输运过程,不能够用通常的求宏观系统的统计平均的方法来处理,而是表现为量子相干输运和量子弹道输运。     

分子束外延及溅射法制备Co/Cu多层膜结构与磁电阻的比较研究

对用分子束外延（MBE）和溅射方法制备的Co/Cu多层膜样品分别进行了结构及磁性研究．X射线分析表明两者均有良好的调制周期性，并且前者形成外延单晶结构，铁磁共振研究表明了面内六次各向异性对称的存在，说明此超晶格具有完整的面内二维结构．磁电阻测量发现，溅射制备的多层膜具有较高的磁电阻值并明显地随Cu层厚度而振荡，相应的室温磁电阻峰值分别为27%，24%，14%；而MBE制备的超晶格的磁电阻较小，其第二峰的数值只有7%．MBE超晶格界面处可能具有超顺磁性，对磁电阻和磁化强度的不同的外场依赖关系有一定的影响． 关键词：     

Al/GaAs表面量子阱界面层的原位光调制反射光谱研究

用分子束外延（MBE）方法在GaAs表面量子阱上外延生长不同厚度的Al层，以超高真空下的原位光调制光谱（PR）作为测量手段，研究Al扩散形成的表面势垒层对于GaAs表面量子阱中带间跃迁峰位和峰形的影响.根据跃迁峰的变化，采用有效质量近似理论计算出了Al和GaAs 的互扩散长度为0.5nm，这是半导体工艺中的一个重要常数. 关键词： Al GaAs 原位光调制反射光谱（PR） 分子束外延（MBE）     

Ge薄层异质结构的同步辐射X射线反射法研究

用X射线反射方法研究了分子束外延技术生长的Si中Ge薄层异质结构的Ge原子分布特性．根据X射线反射理论及Parratt数值计算方法对实验反射曲线的模拟,得到不同厚度的Ge薄层异质结构样品中Ge原子的深度分布为非对称指数形式：在靠近样品表面一侧的衰减长度为8埃,而在靠近样品衬底一侧的衰减长度为3埃,且分布形式与Ge原子层的厚度无关。讨论了不同结构参数(Ge原子薄层的深度、Ce原子分布范围、样品表面粗糙度、样品表面氧化层厚度等)对样品低角反射曲线的影响．     

分子束外延GaAs/Si材料的喇曼散射研究

对逐层腐蚀的GaAs/Si材料进行喇曼散射实验,研究晶格振动声子谱沿外延生长方向的剖面分布,发现GaAs外延层从表面到界面经历着从双轴张应力到双轴压应力的变化。用Anastassakis等人提出的特殊相关模型对GaAsLO声子的谱形进行分析,发现GaAs外延层的晶体质量随着外延层厚度的减薄(从1μm—500?)是渐渐退化的,这是由于界面失配位错进入外延层所致。对GaAs LO声子与TO声子强度之比分析表明:外延层厚度从3.3μm变化到1μm左右时,其晶体质量并不是简单地随着厚度的减薄而退化,在1.3μm左右外延层晶体质量反而变好。对这种现象做了详细的讨论。 关键词：     

超晶格

 晶格是原子或分子聚集时在一定条件下形成的周期性有序结构,这是晶体的基本特征.科学家在实验中利用现代技术实现了人工的周期性有序结构,这是人为的周期性结构,它显示出不寻常的特性,称为超晶格结构,也可称为超晶格材料.     

高In组分InGaNAs/GaAs量子阱的生长及发光特性

采用分子束外延技术(MBE)在Ga As衬底上外延生长高In组分(40%)In Ga NAs/Ga As量子阱材料,工作波长覆盖1.3~1.55μm光纤通信波段。利用室温光致发光(PL)光谱研究了N原子并入的生长机制和In Ga NAs/Ga As量子阱的生长特性。结果表明:N组分增加会引入大量非辐射复合中心;随着生长温度从480℃升高到580℃,N摩尔分数从2%迅速下降到0.2%;N并入组分几乎不受In组分和As压的影响,黏附系数接近1;生长温度在410℃、Ⅴ/Ⅲ束流比在25左右时,In_(0.4)Ga_(0.6)N_(0.01)As_(0.99)/Ga As量子阱PL发光强度最大,缺陷和位错最少;高生长速率可以获得较短的表面迁移长度和较好的晶体质量。