CN100422085C - 一种极性MgO有序薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极性MgO有序超薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：首先使镁源在抽成真空的真空室内蒸发并沉积在衬底表面，当衬底表面上沉积一个原子层厚的镁层后，向真空室内通入氧气并将衬底温度从室温升高至400℃，待衬底温度稳定后停止通氧，使衬底自然冷却至室温，再依次重复上述两过程交替在衬底表面沉积镁层、氧层。本发明方法在室温下优先沉积一个单原子层的镁层，可以有效地阻止氧与衬底的直接相互作用破坏衬底的晶格对称性，而镁原子层与氧原子层的交替沉积，避免了在热力学平衡作用下(100)面与(111)面的竞争生长，有利于Mg与O的结合，并沿具有六角对称的(111)方向取向生长。
Description
技术领域
本发明属于钠米级有序薄膜制备领域，具体涉及一种制备极性MgO(111)有序超薄膜的方法，特别是在金属衬底上制备氧化镁薄膜时通过对衬底表面的预处理技术以及金属镁的沉积与氧化等工艺控制表面取向生长，从而获得高质量且稳定的超薄氧化镁薄膜的方法。
背景技术
MgO具有很多特殊的性能，在催化剂，彩色等离子显示屏，压电陶瓷等方面都有着广泛的应用。作为一种宽带隙(7.8eV)的绝缘体，MgO在高温超导薄膜和铁电陶瓷的稳定阻挡层等方面的应用也引起了人们广泛的兴趣。目前，氧化镁薄膜的制备方法主要有真空蒸镀法、溶胶-凝胶法、分子束外延和化学气相沉积法等，上述方法生长的氧化镁都是沿(100)面的，这是因为该面具有较低的表面能和很强的热平衡稳定性，而对MgO(111)面的薄膜生长还很少有报道。然而，在实际应用中，MgO(111)面的作用却越来越重要，例如MgO(111)薄膜作为缓冲层在蓝宝石衬底上生长宽带隙半导体ZnO时就起着非常关键的作用。因此，探索适合MgO(111)薄膜生长的技术以及相应地提高MgO(111)薄膜质量的方法都具有十分重要的意义。由于MgO(111)面的极性不稳定性，现有的实验过程很难制备出完美的MgO(111)单晶薄膜。从微观的原子结构上来说，MgO(111)面是镁原子层和氧原子层交替排列而成的，故存在电偶极矩，极不稳定。为了达到热力学平衡，减少表面能，总是在表面自发地优先形成沿<100>取向的小面结构，导致表面不平整和取向多样化。因此，发明一种能抑制MgO(100)小面的产生，有利于MgO(111)面生长的方法，从而获得原子级平整的高质量MgO薄膜的方法便是该生长体系的关键点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现氧化镁有序薄膜的生长，从而制得取向单一、纯度高、化学计量比恰当的高质量超薄MgO有序薄膜的方法。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案为：
一种极性MgO有序薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：首先使镁源在抽成高真空的真空室内蒸发并沉积在衬底表面，当衬底表面上沉积一个原子层厚的镁层后，向真空室内通入氧气并将衬底温度从室温升高至400℃，待衬底温度稳定后停止通氧，使衬底自然冷却至室温，再依次重复上述两过程交替在衬底表面沉积镁层、氧层。
进一步，所述镁源为缠绕在清洁、高纯度钨丝上的镁带或镁丝，镁带或镁丝放入真空室前经酒精和丙酮清洗。
进一步，所述经清洗后放入真空室内的镁带或镁丝经直流电流加热法加热。
进一步，所述衬底表面经清洁处理。
进一步，所述衬底材料为金属单晶钼(110)。
进一步，在所述清洁过程中，向所述真空室内通入1×10-5Pa的O2，并使衬底在800～900℃温度下退火10分钟，再停止通氧气并迅速将所述衬底加热至1300℃；重复上述过程直至得到清洁的衬底，然后使衬底在1800～2000℃下退火。
进一步，在所述镁源蒸发过程中其蒸发速率为0.05～0.2纳米/分钟。在向真空室内通入氧气时，氧气压强≤1×10-4Pa，并以每分钟5～20℃的速率使衬底缓慢升温至200～450℃，并保持10分钟。
进一步，所述衬底固定于可绕其中心轴在360°范围内旋转并可在三维方向上移动的传样杆上。
进一步，所述衬底温度是通过恒压恒流的直流电源产生而由热偶直接测量。
本发明方法与现有方法的不同之处主要在于镁薄层在衬底上的优先沉积以及镁原子层与氧原子层的交替沉积与退火技术，实验已经证实，氧的优先沉积和镁与氧的共沉积都无法得到完美有序的氧化镁薄膜。本发明方法在室温下优先沉积一个单原子层的镁层，可以有效地阻止氧与衬底的直接相互作用而破坏衬底的晶格对称性。而镁原子层与氧原子层的交替沉积，避免了在热力学平衡作用下(100)面与(111)面的竞争生长，有利于Mg与O的结合，并沿具有六角对称的<111>方向取向生长。另外，在镁原子层的氧化过程中，适当地提高衬底温度(200～450℃)，有利于镁的完全氧化和原子的局部迁移，从而形成较完整的晶格结构。但是，如果温度过高，又会破坏晶格的对称性，在表面处形成<100>取向的小面结构。镁源和衬底都经清洁处理，保证了MgO薄膜的纯洁度，低能电子衍射仪(LEED)观测结果表明所得MgO外延膜在小于十个单层时具有完整的六角对称性，亦没有小面结构的斑点出现；俄歇电子能谱仪(AES)的原位测试表明该薄膜表面只含有Mg和O两种元素，而且Mg原子数与O原子数之比接近于1∶1的化学计量比，完全适合应用的要求。
附图说明
图1为本发明所用装置的结构示意图；
图2为本发明制备MgO有序薄膜时利用俄歇电子能谱仪原位测试的能谱图；
图3为本发明制备的MgO有序薄膜表面的低能电子衍射图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明：
如图1制备MgO有序薄膜的装置结构示意图所示，用离子泵4和分子泵6可将真空室3的气压降低至1×10-4Pa；衬底2固定在传样杆7上，衬底2采用金属钼(Mo)单晶(110)面，传样杆7可以绕其中心轴在360°范围内旋转并可在三维方向移动，并且真空室3上还设有观察窗5。本发明在制备高质量MgO有序薄膜时，其具体步骤如下：
一、制作纯净镁源：先将纯金属镁带或镁丝用酒精和丙酮进行清洗后，缠绕在清洁、高纯的钨丝11上，然后将钨丝11装入并固定于超高真空室3中；再通过离子泵4和分子泵6将真空室3抽成真空，在超高真空室中，采用直流电流加热法对镁源加热，以除去镁表面吸附的气体杂质和氧化层，从而得到纯净的镁；
二、对衬底2表面进行清洁处理，即通过在真空室3的氧气入口1向真空室3内通入1×10-5Pa的O2，使衬底2在800～900℃温度下退火10分钟，再关闭氧气并迅速将衬底加热至1300℃；按照上述过程反复操作几次后，再使衬底2在1800～2000℃下退火，即得到表面完全清洁的Mo(110)衬底；
三、在真空室内钨丝11上的镁源蒸发并沉积在衬底2表面，在镁源蒸发过程中，用测厚仪测定镁的蒸发速率，控制镁源的蒸发速率在0.1～0.2nm/min之间；在常温下，保持上述蒸发速率在衬底Mo(110)表面上沉积一个原子层(0.25nm厚)的镁层；
四、通过氧气入口1向真空室3内通以压强≤1×104Pa的O2，约2分钟后，再以5-20℃/min的速率将衬底温度缓慢地升高至200-450℃，待温度稳定后关闭氧气阀，使衬底自然冷却至室温；这里选择缓慢升温的目的是防止表面金属镁原子的脱附；
五、依次重复上述步骤(三)和(四)，即可得到单一取向生长的MgO(111)有序薄膜，并且在此过程中，可用俄歇电子能谱仪9和低能电子衍射仪8原位监控薄膜质量；
上述各步骤中，衬底2的温度是通过恒压恒流的直流电源产生并由热偶直接测量的。
当需要一定厚度的氧化镁层时，可通过计算得到需重复上述步骤(三)和(四)的次数，再依次重复上述步骤(三)和(四)即可实现；另外，如需要氧或镁结尾的表面层，都可以通过此技术实现。
制备过程中或制备完成后，可以随时利用俄歇电子能谱仪9原位观测表面元素含量的变化和利用低能电子衍射仪8监控MgO薄膜的表面晶格取向以及表面结构的变化。图2为采用发明方法制备MgO有序薄膜时利用俄歇电子能谱仪原位测试的能谱图，该能谱图清晰地显示了在薄膜中只含有镁和氧两种元素，说明了MgO杂质含量很低，而且镁原子数与氧原子数相等，非常符合化学计量比；图3是利用低能电子衍射仪对样品表面进行观测的衍射图，图案显示的完整对称的六角斑点说明了MgO薄膜的单一外延取向生长。上述结果表明本发明方法制备的薄膜为单一取向生长的MgO(111)有序薄膜。本方法可用于催化剂，高温超导薄膜，集成电路以及各种铁电薄膜的绝缘层等的研制中。
Claims (9)
1. 一种极性MgO有序薄膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：首先使镁源在抽成高真空的真空室内蒸发并沉积在衬底表面，当衬底表面上沉积一个原子层厚的镁层后，向真空室内通入氧气并将衬底温度从室温升高至400℃，待衬底温度稳定后停止通氧，使衬底自然冷却至室温，再依次重复上述两过程交替在衬底表面沉积镁层、氧层。
2. 如权利要求1所述的极性MgO有序薄膜的制备方法，其特征在于，所述镁源为缠绕在清洁、高纯度钨丝上的镁带或镁丝，镁带或镁丝放入真空室前经酒精和丙酮清洗。
3. 如权利要求2所述的极性MgO有序薄膜的制备方法，其特征在于，所述经清洗后放入真空室内的镁带或镁丝经直流电流加热法加热。
4. 如权利要求1所述的极性MgO有序薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底表面经清洁处理。
5. 如权利要求1所述的极性MgO有序薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底材料为金属单晶钼(110)。
6. 如权利要求4所述的极性MgO有序薄膜的制备方法，其特征在于，在所述清洁过程中，向所述真空室内通入1×10-5Pa的O2，并使衬底在800～900℃温度下退火10分钟，再停止通氧气并迅速将所述衬底加热至1300℃；重复上述过程直至得到清洁的衬底，然后使衬底在1800～2000℃下退火。
7. 如权利要求1所述的极性MgO有序薄膜的制备方法，其特征在于，在所述镁源蒸发过程中其蒸发速率为0.05～0.2纳米/分钟，在向真空室内通入氧气时，氧气压强≤1×10-4Pa，并以每分钟5～20℃的速率使衬底缓慢升温至200～450℃，并保持10分钟。
8. 如权利要求1所述的极性MgO有序薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底固定于可绕其中心轴在360°范围内旋转并可在三维方向上移动的传样杆上。
9. 如权利要求1所述的极性MgO有序薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底温度是通过恒压恒流的直流电源产生而由热偶直接测量。
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