CN107723789B - 一种高质量灰锡单晶薄膜的低温外延制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高质量灰锡单晶薄膜的低温外延制备方法，具体步骤包括：(1)对(100)晶面的InSb衬底加热进行去氧化处理；(2)通过分子束外延的方法在InSb衬底上生长一层InSb缓冲层，生长温度为450℃；(3)在InSb缓冲层的表面沉积一层50nm厚的非晶Sb作为保护层，防止氧化；(4)在Ⅳ族分子束外延设备中，将InSb衬底加热至400℃去除非晶Sb；(5)通过分子束外延的生长方法，在10℃～15℃的条件下，生长灰锡薄膜，生长速率为0.025A/sec；最终得到20nm～100nm厚的灰锡单晶薄膜。本发明利用低温外延法制备的灰锡薄膜的相变温度由已知的13.2℃提高到了120℃。

Description

一种高质量灰锡单晶薄膜的低温外延制备方法
技术领域
本发明涉及一种高质量的灰锡单晶薄膜的低温外延制备方法。
背景技术
灰锡，是常见金属锡的一种同素异形体，它是一种亚稳相，在13.2℃以下稳定存在，常为无定型态。体块灰锡是一种零带隙的半导体，对灰锡施加一定的应力，其会变成一种拓扑绝缘体或者狄拉克半金属。拓扑绝缘体和狄拉克半金属近年来被广泛研究，不管是在为理论研究提供良好的平台，还是有望实现室温低能耗的电子自旋器件上，单晶的灰锡薄膜的制备都有重大意义，提高其相转变温度，能为现有的理论研究和实际应用提供更多的可能。除此之外，由于锡优良的导热性能，单晶的灰锡薄膜在电子器件界面传热方面也有很好的应用前景。
虽然，灰锡与InSb的晶格匹配度很高(晶格失配度为0.14％)，但是灰锡在InSb衬底表面生长的过程中，随着Sn原子在表面的排布，一定量的Sb原子会从衬底表面隙出，影响灰锡的生长，而且在生长达到一定厚度后，应力消失，Sn会倾向于β相(Sn的稳定相)的生长。这是灰锡生长技术中最大的难点。
在目前灰锡薄膜的生长方法中，生长温度普遍为室温，在InSb(100)衬底上生长的灰锡薄膜稳定存在的温度为100℃。采用室温的生长温度在分子束外延生长中虽然已经属于极低温度，但室温仍高于灰锡的相变温度13.2℃，Sb仍然可以获得一定的能量从InSb衬底表面隙出，从而产生一些缺陷，影响灰锡薄膜的质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种在InSb衬底上低温生长灰锡单晶薄膜的方法，利用该方法制备的薄膜能提高灰锡薄膜的相转变温度。
本发明采用的技术方案如下：
一种高质量灰锡单晶薄膜的低温外延制备方法，具体步骤包括：
(1)首先对(100)晶面的InSb衬底加热进行去氧化处理，加热温度为500℃；
(2)通过分子束外延的方法在InSb衬底上生长一层InSb缓冲层，生长速率为
Figure BDA0001420740810000011
生长温度为450℃，厚度为50nm；
(3)在InSb缓冲层的表面沉积一层非晶Sb作为保护层，防止氧化，生长速率为
Figure BDA0001420740810000012
生长温度为150℃，厚度为50nm；
(4)在Ⅳ族分子束外延设备中，将步骤(3)得到的InSb衬底加热至400℃去除非晶Sb；
(5)通过分子束外延的生长方法，在10℃～15℃的条件下，生长单质锡薄膜，生长速率为
Figure BDA0001420740810000021
最终得到20nm～100nm厚的灰锡单晶薄膜，灰锡单晶薄膜的相变温度为120℃。
本发明在InSb衬底上低温外延生长高质量的灰锡单晶薄膜，提供了一种新型的制备手段，可以获得高质量的灰锡薄膜，并通过应力作用将相转变温度提高了100℃，相比现有技术具有以下优势：
(1)本发明制备得到的高质量的灰锡单晶薄膜的厚度可达到100nm，而现有文献中报道的多为几个或几十个分子层厚度；厚的单晶薄膜的应用更为广泛。
(2)本发明使用低温的生长方式(10℃-15℃)，有利于维持界面的应力；
(3)本发明使用低温的生长方式(10℃-15℃)，有利于减少Sb的析出，提高灰锡薄膜的质量；
(4)本发明生长得到的灰锡薄膜的相变温度由已知的13.2℃提高到了120℃，这为后续的研究和应用提供了更多的可能性。
附图说明
图1是本发明低温生长的灰锡薄膜材料的结构示意图。
图2是在10℃下生长的20nm厚的灰锡单晶薄膜的X射线衍射倒易空间扫描图。
图3是在15℃下生长的100nm厚的灰锡单晶薄膜的X射线衍射扫描图。
图4是在10℃下生长的20nm厚的灰锡单晶薄膜的变温X射线衍射图，温度变化为从室温到170℃。
图5是在10℃下生长的20nm厚的灰锡薄膜的变温X射线衍射图，温度变化为从180℃到250℃再降温到60℃。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供了一种通过分子束外延在InSb衬底上低温生长灰锡单晶薄膜并运用应力提高其相变温度的制备方法。图1是本实施例灰锡薄膜的结构示意图，具体制备方法如下：
通过一套Ⅲ-Ⅴ族的分子束外延设备，首先对(100)晶面InSb衬底进行去氧化处理，保持衬底旋转，旋转速度为6转/分钟，将衬底加热器升高至500℃，保持一段时间。
然后通过分子束外延的方法在去氧化完成的的InSb(100)衬底上生长一层InSb缓冲层，生长温度为450℃。缓冲层的生长可以为灰锡的生长提供一个更好的表面。
接下来，生长一层50nm厚度的非晶Sb作为保护，防止表面氧化。
最后，将有非晶Sb保护的InSb衬底转移至另一套Ⅳ族的分子束外延设备中，400℃的温度下，去除非晶Sb。再利用分子束外延的生长方法，在低于室温的条件下生长单质锡薄膜。
图2显示了在10℃下生长的20nm厚的灰锡薄膜的X射线衍射倒易空间扫描图，可以看出20nm厚的灰锡薄膜为单晶，在晶面内的晶格常数与InSb衬底一样，也就是说灰锡薄膜还是完全受InSb衬底的应力束缚的。
图3显示了在15℃下生长的100nm厚的灰锡薄膜的X射线衍射图，可以看出本发明得到了高质量的灰锡单晶薄膜，拟合的结果显示薄膜厚度为100nm。
图4显示的是10℃下生长的20nm厚的灰锡薄膜的变温X射线衍射图。从下往上是从室温，40℃，60℃，80℃，100℃，120℃，130℃，140℃，150℃，160℃，170℃的X射线衍射图，可以看出升温至120℃时灰锡的特征峰变弱，白锡(β-Sn)的特征峰开始出现，继续升温，灰锡的特征峰完全消失，白锡的特征峰更为明显。
图5显示的是10℃下生长的20nm厚的灰锡薄膜的变温X射线衍射图。从下往上是从180℃，190℃，200℃，220℃，250℃，降温至200℃，降温至60℃的X射线衍射图，可以看出随着温度继续升高至220℃，白锡的特征峰消失，考虑是白锡融化成无定型态，所以特征峰消失。温度再降至200℃，白锡的特征峰未出现，说明融化后的白锡很难再回到定型态，继续降温至60℃，灰锡的特征峰也未出现，说明该灰锡单晶薄膜向白锡的转变是不可逆的。
根据以上这些表征可以看出，本发明在InSb衬底上低温生长出高质量的灰锡单晶薄膜，且20nm厚的灰锡薄膜的相变温度提高至120℃。

Claims (4)

1.一种高质量灰锡单晶薄膜的低温外延制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)首先对(100)晶面的InSb衬底加热进行去氧化处理；
(2)通过分子束外延的方法在InSb衬底上生长一层InSb缓冲层；
(3)在InSb缓冲层的表面沉积一层非晶Sb作为保护层，防止氧化；
(4)在Ⅳ族分子束外延设备中，将步骤(3)得到的InSb衬底加热至400℃去除非晶Sb；
(5)通过分子束外延的生长方法，在10℃～15℃的条件下，生长单质锡薄膜，生长速率为
Figure FDA0002318859880000011
最终得到20nm～100nm厚的灰锡单晶薄膜，所述灰锡单晶薄膜的相变温度为120℃。
2.根据权利要求1所述的一种高质量灰锡单晶薄膜的低温外延制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，加热温度为500℃。
3.根据权利要求1所述的一种高质量灰锡单晶薄膜的低温外延制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，InSb缓冲层的生长速率为
Figure FDA0002318859880000012
生长温度为450℃，厚度为50nm。
4.根据权利要求1所述的一种高质量灰锡单晶薄膜的低温外延制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，保护层的生长速率为
Figure FDA0002318859880000013
生长温度为150℃，厚度为50nm。
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