CN106756810B - 一种材料的生长测试一体化系统 - Google Patents

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Abstract

先进材料的生长测试一体化系统，包括光源产生系统，真空传输系统，材料生长系统以及时间和自旋分辨的电子能谱测试系统；所述光源产生系统包括极紫外超短脉冲激光系统，光学参量转换系统，极紫外超短脉冲激光转换系统，时间同步装置，泵浦光和探测光合束器；所述时间和自旋分辨的电子能谱测试系统包括：合束输入窗口；真空测试腔；样品固定架；半球电子能谱分析仪，扫描电子显微镜；所述材料生长系统包括：第一和第二分子束外延生长系统；第一和第二脉冲激光沉积系统；真空传输系统包括超高真空样品输运小车和串联的超高真空管道，通过超高真空管道，在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递；实现不同先进材料的生长和制备。

Description

一种材料的生长测试一体化系统
技术领域
本发明涉及一种先进超快的材料的生长测试一体化系统，涉及信息技术领域新的科学问题，涉及到先进材料的生长和原位测量，其中尤为突出的材料的超快过程和自旋的测试。
背景技术
信息技术已经进入大数据时代，寻找具有能耗低、速度快、密度高，而且安全性好的新型电子器件已成为当前信息产业发展的迫切任务。开发基于电子自旋的芯片和存储器件，从而在新一代信息技术的变革中抢占先机，对国家的经济发展具备重要的战略意义。
薄膜材料生长技术是新型电子器件的核心技术，分子束外延生长技术和脉冲激光沉积技术是特殊的真空镀膜工艺，也是目前应用于信息技术产业中最顶尖的技术，为了发现最新的材料，实验室往往会利用这些顶尖技术来真空镀膜。
分子束外延生长技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子显微结构材料。脉冲激光沉积则是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。
很多新型材料对于外界条件的细微变化很敏感，有些特殊性质需要在极端条件下测试，但是，目前国内尚无仪器设备能够同时具有材料生长和原位测量两大功能，尤其在超快时间分辨光电能谱这一方面尤为缺少。本仪器项目将会填补此空白，同时在光子能量方面进行拓展。
目前国际上最先进的时间自旋分辨电子能谱仪器的激发光子的能量比较低6–7eV,常见半导体的功函数4–5eV，不能够覆盖整个价带、导带及深层的电子。需要发明一种仪器，这种仪器的优势在于把探测光子能量提高到100eV，从而可以全面地研究各种半导体、金属、及绝缘材料及器件。
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发明内容
本发明目的：提出先进材料的生长测试一体化系统，在飞秒时间尺度上生长并研究新信息材料的物理过程；引入电子的自旋自由度探测，研究信息材料及器件中的自旋行为。
本发明技术方案，先进材料的生长测试一体化系统，包括光源产生系统，真空传输系统，材料生长系统以及时间和自旋分辨的电子能谱测试系统；
所述光源产生系统包括极紫外超短脉冲激光系统，光学参量转换系统，极紫外超短脉冲激光转换系统，时间同步装置，泵浦光和探测光合束器；
所述时间和自旋分辨的电子能谱测试系统包括：合束输入窗口；真空测试腔；样品固定架；半球电子能谱分析仪，扫描电子显微镜；
所述材料生长系统包括：第一分子束外延生长系统MBE1；第二分子束外延生长系统MBE2；第一脉冲激光沉积系统PLD1；第二脉冲激光沉积系统PLD2；
真空传输系统包括超高真空样品输运小车和串联的超高真空管道和超高真空样品室，通过超高真空管道(10-11mBar)，在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递；实现不同先进材料的生长和制备。
所述超短脉冲激光系统包括依次连接的超短脉冲种子激光，极紫外超短脉冲激光放大器，脉冲激光压缩器；极紫外超短脉冲激光单色仪。
所述极紫外超短脉冲激光产生器将高能脉冲激光聚焦至特定惰性气体产生极紫外脉冲激光，还包括激光聚焦器件，多维调整机构。所述极紫外超短脉冲激光转换系统包括极紫外超短脉冲激光产生器，极紫外超短脉冲激光单色仪；所述极紫外超短脉冲激光产生器，极紫外超短脉冲激光单色仪，泵浦光和探测光合束器及样品生长传输均位于真空系统中。
所述极紫外超短脉冲激光单色仪包括分光光栅、滤波片或者多层镜，反射镜及其多维调整结构。
所述合束输入窗口指泵浦光和探测光合束器，包括反射镜、聚焦镜和多维调整机构。
所述光学参量转换系统，通过非线性晶体将泵浦激光转换至紫外-红外波段；
所述扫描隧道电子显微镜，在此系统中该设备能探测生长样品表面的原子分布及排列，使之达到实验需求；
所述分子束外延系统，包括适用于多种材料生长的蒸发源和观察样品晶格结构的装置；
所述脉冲激光沉积系统，包括适用于多种材料生长的靶材和观察样品晶格结构的装置；
所述材料的生长传输及测量均位于真空系统中，样品在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递，而不会暴露在空气中。这就避免了样品表面吸附杂质或被氧化。
本发明有益效果：本发明提供的先进材料的生长测试一体化系统有如下特点：
1)采用所述超短脉冲激光系统，本系统的激光源能够提供100KHz—1MHz的重复频率，大大缩短能谱测量时间，提高能谱信号的信噪比。
2)采用所述超短脉冲激光系统，用户可以调节脉冲重复频率变换器自行改变脉冲重复频率。
3)采用所述光源产生系统，本系统能够高效率产生高能量极紫外探测光子。
4)采用所述光源产生系统，本系统能够同步极紫外探测光和近红外泵浦光。
5)采用所述材料生长系统，本系统能够满足能谱探测对材料表面洁净度的要求。
6)采用两个MBE装置，本系统能够满足不同组分材料的分子束外延生长，同时也保证了样品不被污染。
7)采用两个PLD装置，本系统能够满足不同组分材料的脉冲激光沉积生长，同时也保证了样品不被污染。
8)采用扫描隧道电子显微镜装置，本系统能够在生长阶段探测样品表面原子分布及排列。
9)采用所述时间和自旋分辨电子能谱测试系统，本系统能够提高电子自旋探测效率。样品可以通过真空传输系统(10-11mBar)，在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递，而不会暴露在空气中，这不但避免了样品表面吸附杂质或被氧化，而且实现了先进材料的原位测量。本发明将成为该领域最先进的研究平台，可以进行超快动态测量，将被广泛应用于研究各种新一代的电子信息材料与器件。
10)目前国内尚无仪器设备能够同时具有超快时间分辨、高光子能量、和自旋探测三个方面的功能。本仪器项目将会填补此空白，同时在光子能量方面进行拓展。这种仪器的优势在于把探测光子能量提高到100eV，能全面地研究各种半导体、金属、及绝缘材料及器件。
附图说明
图1为本发明先进材料的生长测试一体化系统的结构示意图。
图2为本发明先进材料的生长测试一体化系统中光源产生系统的结构示意图。
图3为本发明先进材料的生长测试一体化系统中材料生长系统的结构示意图。
图4为本发明先进材料的生长测试一体化系统中极紫外脉冲超短脉冲激光产生系统和极紫外超短脉冲激光单色仪系统的结构示意图。
图5为本发明先进材料的生长测试一体化系统中时间和自旋分辨电子能谱测试系统的结构示意图。
1-光源产生系统；1.1-超短脉冲激光系统；1.2-光学参量转换系统；1.3-极紫外超短脉冲激光转换系统；1.3.1-极紫外脉冲超短脉冲激光产生系统；1.3.2-极紫外超短脉冲激光单色仪；1.4-时间同步装置；1.5-泵浦光和探测光合束器；
2-时间和自旋分辨的电子能谱测试系统；2.1-合束输入窗口；2.2-真空测试腔；2.3-样品固定架；2.4-半球电子能谱分析仪，2.5-扫描电子显微镜；
3-真空传输系统；3.1-真空样品输运小车；
4-材料生长系统；4.1-分子束外延生长系统MBE1；4.2-分子束外延生长系统MBE2；4.3-脉冲激光沉积系统PLD1；4.4-脉冲激光沉积系统PLD2；
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例：
如图1所示，本实施例记载了一种先进材料的生长测试一体化系统，包括光源产生系统，时间和自旋分辨电子能谱测试系统，真空传输系统和材料生长系统。光源产生系统和时间和自旋分辨电子能谱测试系统包括超短脉冲激光系统、极紫外超短脉冲激光转换系统、光学参量转换系统、时间和自旋分辨电子能谱系统；材料生长系统包括分子束外延系统，脉冲激光沉积系统；光源产生系统为时间和自旋分辨的电子能谱测试提供超短脉冲激光。通过自主研发的材料生长系统，实现原位的样品生长和测量。样品可以通过超高真空腔室(10-11mBar)，在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递，而不会暴露在空气中。这就避免了样品表面吸附杂质或被氧化。
如图2所示，光源产生系统包括超短脉冲激光系统，光学参量转换系统，极紫外超短脉冲激光转换系统，时间同步装置，泵浦光和探测光合束器。在本实施例中，超短脉冲激光系统产生的超短脉冲激光通过特定分束比例的分束片，激光被一分为二，分别进入极紫外超短脉冲激光转换系统和光学参量转换系统。
所述超短脉冲激光系统包括超短脉冲种子激光，脉冲激光放大器及脉冲激光压缩器；
进入极紫外超短脉冲激光转换系统的激光聚焦至特定惰性气体中，激发产生极紫外超短脉冲激光(即高次谐波)，其包括了多个波长的激光。
接着，通过极紫外超短脉冲单色仪，极紫外超短脉冲激光能够实现在空间上的分离，结合特定的手段，我们能够获得单色的极紫外超短脉冲激光，作为时间和自旋分辨电子能谱测量的泵浦光；
进入光学参量转换系统的激光通过非线性晶体被转换成可见-红外波段的超短脉冲激光，作为时间和自旋分辨电子能谱测量的探测光。
如图3所示，材料生长系统包括分子束外延生长系统，脉冲激光沉积系统。
所述分子束外延系统，包括适用于多种材料生长的蒸发源和观察样品晶格结构的装置。
所述脉冲激光沉积系统，包括适用于多种材料生长的靶材和观察样品晶格结构的装置。
根据所要生长材料样品种类选择合适的分子束外延生长装置或者脉冲激光沉积装置进行超高真空下材料的生长。
生长完成的样品置于真空传输系统中的真空样品输运小车上，在超高真空管道中输运到扫描隧道电子显微镜中进行样品表面原子分布及排列探测。
探测完成并满足实验需求的样品经由真空样品输运小车输运到超高真空管道中真空测试腔对应位置，再经由传输杆传输到真空测试腔内样品固定架上等待测试。
如图4所示，极紫外超短脉冲激光转换系统包括极紫外超短脉冲产生系统和极紫外超短脉冲单色仪。
所述极紫外超短脉冲产生系统，极紫外超短脉冲单色仪，泵浦光和探测光合束器，材料生长及传输均在真空系统中。
如图5所示，时间和自旋分辨的电子能谱测试系统包括合束器输入窗口，真空测试腔，样品固定架，半球电子能谱分析仪，扫描电子显微镜(STM)。
所述扫描隧道电子显微镜，在此系统中该设备能探测生长样品表面的原子分布及排列，使之达到实验需求。
探测光和泵浦光共同进入时间和自旋分辨的电子能谱测试系统。探测光首先要经过时间同步装置，通过装置中延迟线的改变来实现探测光和泵浦光在时间上的延迟。接着，探测光和泵浦光通过合束器合束，一起进入时间和自旋分辨的电子能谱测试系统中的真空测试腔，并打在测试样品上。
泵浦光先到达样品，激发样品的电子，发生跃迁等作用。然后经过特定时间差(可通过时间同步装置来改变时间差)，探测光达到样品，探测样品内电子的跃迁，弛豫情况，分析其超快动力学问题。
真空传输系统包括超高真空管道，参见本申请人申请的超高真空样品输运系统，包括超高真空样品输运小车和串联的超高真空管道和超高真空样品室，串联的超高真空样品室之间设有闸板阀片，超高真空样品室铺设轨道；且所述的超高真空样品输运小车主要由2个超高真空样品存储台，超高真空样品存储台顶端均设有固定在样品存储台的永磁铁，设有隔磁金属板隔离在2个超高真空样品存储台之间，超高真空样品输运小车下部设有4-6个独特的小车导向轮，且小车导向轮在所述轨道上运行，串联的超高真空样品室外表面设有驱动磁铁。拥有2个超高真空样品存储平台，该超高真空样品存储台是一个八面体结构，能同时装载16块样品进行输运。所述2个固定在超高真空样品存储台的永磁铁实现超高真空样品小车在传送系统内的运动，同时，样品存储台通过旋转轴安装在样品小车上。所述小车导向轮既实现以最小的阻力在超高真空传送系统内固定的轨道上平滑运动，又实现小车在闸板阀之间的跨越运动。所述隔磁金属板通过在2个样超高真空品存储台之间的隔磁金属隔板排除2个永磁铁之间的相互干扰。

Claims (8)

1.先进材料的生长测试一体化系统，其特征是包括光源产生系统，真空传输系统，材料生长系统以及时间和自旋分辨的电子能谱测试系统；
所述光源产生系统包括极紫外超短脉冲激光系统，光学参量转换系统，极紫外超短脉冲激光转换系统，时间同步装置，泵浦光和探测光合束器；
所述时间和自旋分辨的电子能谱测试系统包括：合束输入窗口；真空测试腔；样品固定架；半球电子能谱分析仪，扫描电子显微镜；
所述材料生长系统包括：第一分子束外延生长系统MBE1；第二分子束外延生长系统MBE2；第一脉冲激光沉积系统PLD1；第二脉冲激光沉积系统PLD2；
真空传输系统包括超高真空样品输运小车和串联的超高真空管道和超高真空样品室，通过超高真空管道，在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递；实现不同先进材料的生长和制备。
2.根据权利要求1所述的先进材料的生长测试一体化系统，其特征在于，所述超短脉冲激光系统包括依次连接的超短脉冲种子激光，极紫外超短脉冲激光放大器，脉冲激光压缩器；极紫外超短脉冲激光单色仪。
3.根据权利要求1所述的先进材料的生长测试一体化系统，其特征在于，所述极紫外超短脉冲激光产生器将高能脉冲激光聚焦至特定惰性气体产生极紫外脉冲激光，还包括激光聚焦器件，多维调整机构；所述极紫外超短脉冲激光转换系统包括极紫外超短脉冲激光产生器，极紫外超短脉冲激光单色仪；所述极紫外超短脉冲激光产生器，极紫外超短脉冲激光单色仪，泵浦光和探测光合束器及样品生长传输均位于真空系统中。
4.根据权利要求3所述的先进材料的生长测试一体化系统，其特征在于，所述极紫外超短脉冲激光单色仪包括分光光栅、滤波片或者多层镜，反射镜及其多维调整结构。
5.根据权利要求1所述的一种先进材料的生长测试一体化系统，其特征在于，所述合束输入窗口指泵浦光和探测光合束器，包括反射镜、聚焦镜和多维调整机构。
6.根据权利要求1所述的一种先进材料的生长测试一体化系统，其特征在于，所述光学参量转换系统，通过非线性晶体将泵浦激光转换至紫外-红外波段。
7.根据权利要求1所述的一种先进材料的生长测试一体化系统，其特征在于，所述扫描隧道电子显微镜，在此系统中该设备能探测生长样品表面的原子分布及排列，达到实验需求；
所述分子束外延系统，包括适用于多种材料生长的蒸发源和观察样品晶格结构的装置；
所述脉冲激光沉积系统，包括适用于多种材料生长的靶材和观察样品晶格结构的装置。
8.根据权利要求1所述的一种先进材料的生长测试一体化系统，其特征在于，所述材料的生长传输及测量均位于真空系统中，样品在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递，而不会暴露在空气中；避免样品表面吸附杂质或被氧化。
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