CN117089928A - 超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法 - Google Patents
超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117089928A CN117089928A CN202310995728.1A CN202310995728A CN117089928A CN 117089928 A CN117089928 A CN 117089928A CN 202310995728 A CN202310995728 A CN 202310995728A CN 117089928 A CN117089928 A CN 117089928A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- flat
- substrate
- ultra
- molecular beam
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 61
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 91
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 14
- 238000007872 degassing Methods 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 11
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 7
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 3
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 238000002017 high-resolution X-ray diffraction Methods 0.000 description 15
- AFCARXCZXQIEQB-UHFFFAOYSA-N N-[3-oxo-3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)propyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CCNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 AFCARXCZXQIEQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- YLZOPXRUQYQQID-UHFFFAOYSA-N 3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)-1-[4-[2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidin-5-yl]piperazin-1-yl]propan-1-one Chemical compound N1N=NC=2CN(CCC=21)CCC(=O)N1CCN(CC1)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F YLZOPXRUQYQQID-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 10
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 8
- 238000000097 high energy electron diffraction Methods 0.000 description 8
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 4
- 238000000861 blow drying Methods 0.000 description 3
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 3
- 238000010943 off-gassing Methods 0.000 description 3
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
- C30B25/183—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being provided with a buffer layer, e.g. a lattice matching layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/16—Controlling or regulating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/16—Controlling or regulating
- C30B25/165—Controlling or regulating the flow of the reactive gases
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
- C30B25/186—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being specially pre-treated by, e.g. chemical or physical means
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/46—Sulfur-, selenium- or tellurium-containing compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
- C30B29/64—Flat crystals, e.g. plates, strips or discs
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明首次公开了一种超平整无孪晶BixSb2‑xTe3薄膜的分子束外延制备方法，它以Bi、Sb、Te为蒸发源，在台阶形貌的Al2O3(0001)衬底上外延，即得到超平整、无孪晶的BixSb2‑ xTe3薄膜。本发明所制备的BixSb2‑xTe3薄膜的晶粒尺寸较大，工艺简单，消除了由于外延过程中由于晶格失配导致的平整度差，孪晶度高的问题，实现了功率因子的有效提高，为BixSb2‑xTe3薄膜的高质量制备和大规模应用奠定了良好的基础。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法。
背景技术
近年来，随着半导体技术和信息技术的高速发展，5G通讯技术大规模商业化应用以及柔性可穿戴智能设备逐渐兴起，市场对微型发电和制冷器件的需求相当迫切。基于热电材料以及热能和电能直接相互转换的热电技术有望成为缓解能源危机，提高能源利用效率的有效方法。
作为一种窄禁带半导体，BixSb2-xTe3材料是室温附近性能优异的热电材料，在高效固态制冷和温差发电等方面具有重要的用途。同时，BixSb2-xTe3材料也是最重要的三维拓扑绝缘体材料，是热电和凝聚态物理领域高度关注的材料体系，并且BixSb2-xTe3薄膜材料更容易实现热电器件的微型化和柔性化，具有巨大的应用前景。BixSb2-xTe3薄膜中普遍存在孪晶结构，其界面对电输运性能产生不利影响。然而，孪晶很难通过改进薄膜生长工艺参数来消除，这大大阻碍了BixSb2-xTe3薄膜材料在器件和输运研究中的广泛应用。因此，寻求一种高结晶质量，平整度高的无孪晶BixSb2-xTe3薄膜外延制备方法显得迫在眉睫。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法，制备过程工艺简单，消除了由于外延过程中由于晶格失配导致的平整度差的问题，可以实现孪晶的有效抑制。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法，它以Bi、Sb、Te单质为原来，选用台阶形貌的Al2O3(0001)衬底，外延得到超平整，无孪晶的BixSb2-xTe3薄膜。具体步骤如下：
(1)Al2O3(0001)衬底的腔体外前处理：对Al2O3(0001)衬底进行高温退火，然后洗涤并干燥，获得台阶形貌的Al2O3(0001)衬底；
(2)低温Bi2Te3缓冲层的生长：将步骤(1)所得台阶形貌的Al2O3(0001)衬底，放入分子束外延的预处理腔室(loadlock腔室)，经烘烤以除气后传样放入生长腔室中，然后加热以除气，以Bi、Te为蒸发源控制衬底温度到230℃～240℃生长低温Bi2Te3缓冲层；
(3)BixSb1-xTe3薄膜的生长：在生长腔室中，继续以Bi、Sb、Te为蒸发源，控制衬底衬底温度到240℃～340℃，在低温Bi2Te3缓冲层生长得到超平整无孪晶的BixSb2-xTe3薄膜。
按上述方案，BixSb2-xTe3薄膜中的x大于等于0，小于等于2。
按上述方案，步骤(1)中，Al2O3(0001)衬底为(0001)取向的氧化铝衬底；所述高温退火的温度为1000℃～1500℃，时间为4h以上；洗涤在有机溶剂、碱性溶液、酸性溶液和去离子水中依次清洗，清洗的温度为45℃～100℃；干燥使用惰性气体吹干。其中，有机溶剂为高纯乙醇和高纯丙酮；碱性溶液为氨水溶液(3％～10％)，酸性溶液为盐酸溶液(5％～30％)或者硝酸溶液(5％～30％)。
按上述方案，步骤(1)中所获得台阶形貌的Al2O3(0001)衬底，其台阶高度0.4nm～3.0nm，宽度为20nm～150nm。
按上述方案，步骤(2)中，预处理腔室的真空为5×10-7mbar～1×10-8mbar，烘烤除气的温度为100℃～160℃，时间3小时以上；生长腔室中加热除气的温度为650℃～850℃，时间为0.5小时～2小时；生长低温Bi2Te3缓冲层时，Bi束流为 Te束流为/>生长时间0.5分钟～2分钟，生长真空为5×10-9mbar～1×10-10mbar。
按上述方案，步骤(3)中，生长超平整无孪晶的BixSb2-xTe3薄膜时，Bi与Sb总束流为Bi束流为/>Sb束流为/>Te束流为/> 生长时间2小时以上；BixSb1-xTe3薄膜的生长真空为5×10-9mbar～1×10-10mbar，厚度为50nm以上。
上述方法制备的超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜生长于低温Bi2Te3缓冲层之上，所制备的BixSb2-xTe3薄膜的孪晶度在0.1以内，厚度在50nm以上，结晶质量良好，其中n型Bi2Te3的功率因子在2.5mWm-1K-2以上，p型最优组分Bi0.5Sb1.5Te3的功率因子在3.0mWm-1K-2以上。
以上述内容为基础，在不脱离本发明基本技术思想的前提下，根据本领域的普通技术知识和手段，对其内容还可以有多种形式的修改、替换或变更。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
第一，本发明以Bi、Sb、Te为蒸发源，在台阶形貌的Al2O3(0001)衬底上外延，即得到超平整、无孪晶的BixSb2-xTe3薄膜，工艺简单，消除了由于外延过程中由于晶格失配导致的平整度差，孪晶度高的问题。
第二，本发明结合衬底前处理和生长条件的优化，通过分子束外延技术，成功制备了超平整无孪晶的BixSb2-xTe3薄膜，大大降低了孪晶度，所制备的BixSb2-xTe3薄膜的晶粒尺寸达到微米级，工艺简单，消除了由于外延过程中由于晶格失配导致的平整度差，孪晶度高的问题，实现了功率因子的有效提高，为BixSb2-xTe3薄膜的高质量制备和大规模应用奠定了良好的基础。
第三，本发明中选用的Al2O3(0001)衬底具有良好的热传导性，强度高，绝缘性好，价格低廉，并且通过对Al2O3(0001)衬底的高温预处理，衬底表面形成了有序的平整台阶，作为模板实现了高质量BixSb2-xTe3薄膜的高效可控的外延生长，为超平整BixSb2-xTe3薄膜材料的规模化制备和大规模应用奠定了良好的基础。
附图说明
图1为实施例1、实施例2、实施例3步骤1)退火后衬底的原子力显微镜表面图像(a)及其高-宽线图(b)。
图2为实施例1、实施例2、实施例3步骤2)低温Bi2Te3缓冲层的反射式高能电子衍射图像。
图3为实施例1步骤2)生长过程中Bi2Te3薄膜样品的反射式高能电子衍射图像。
图4为实施例1步骤2)所生长Bi2Te3薄膜的扫描隧道显微镜表面图像。
图5为实施例1步骤2)所生长Bi2Te3薄膜的高分辨X射线衍射联动扫描的物相表征结果。
图6为实施例1步骤2)所生长Bi2Te3薄膜的高分辨X射线衍射面内旋转的扫描结果。
图7为实施例1步骤2)所生长Bi2Te3薄膜的电输运性能表征。
图8为实施例2步骤2)生长过程中Sb2Te3薄膜样品的反射式高能电子衍射图像。
图9为实施例2步骤2)所生长Sb2Te3薄膜的扫描隧道显微镜表面图像。
图10为实施例2步骤2)所生长Sb2Te3薄膜的高分辨X射线衍射联动扫描的物相表征结果。
图11为实施例2步骤2)所生长Sb2Te3薄膜的高分辨X射线衍射面内旋转的扫描结果。
图12为实施例2步骤2)所生长Sb2Te3薄膜的电输运性能表征。
图13为实施例3步骤2)生长过程中Bi0.5Sb1.5Te3薄膜样品的反射式高能电子衍射图像。
图14为实施例3步骤2)所生长Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的扫描隧道显微镜表面图像。
图15为实施例3步骤2)所生长Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的高分辨X射线衍射联动扫描的物相表征结果。
图16为实施例3步骤2)所生长Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的分辨X射线衍射面内旋转的扫描结果。
图17为实施例3步骤2)所生长Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的电输运性能表征。
图18是对比例1步骤2)所生长Bi2Te3薄膜的高分辨X射线衍射面内旋转扫描结果。
图19是对比例1步骤2)所生长Bi2Te3薄膜的电输运性能。
图20是对比例2步骤2)所生长Bi2Te3薄膜的高分辨X射线衍射面内旋转扫描结果。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
超平整无孪晶Bi2Te3薄膜的分子束外延制备方法，具体步骤如下：
1)选用合肥科晶公司提供的Al2O3(0001)单晶衬底，将其置于Al2O3坩埚舟中，放入马弗炉1300℃退火6小时。将退火后的Al2O3(0001)衬底放入烧杯中，在70℃的加热台上用丙酮、氨水溶液(5％)、稀盐酸(20％)、去离子水中进行清洗，用氩气吹干，此时获得台阶形貌的Al2O3(0001)衬底；
2)将步骤1)所得Al2O3(0001)衬底移入分子束外延的预处理腔体中，在130℃烘烤4小时(为了除气)；然后将烘烤后的Al2O3(0001)衬底转移到分子束外延的生长腔室中，在750℃下加热1小时(为了除气)，然后控制衬底温度到230℃～240℃左右，生长低温Bi2Te3缓冲层，Bi束流为Te束流为/>生长真空为3×10-10mbar，生长时间1～2分钟，然后控制衬底温度到260℃，Bi束流为/>Te束流为/>生长真空为3×10-10mbar，生长4小时的Bi2Te3薄膜，厚度100nm左右。
实施例2
超平整无孪晶Sb2Te3薄膜的分子束外延制备方法，具体步骤如下：
1)选用合肥科晶公司提供的Al2O3(0001)单晶衬底，将其置于Al2O3坩埚舟中，放入马弗炉1300℃退火6小时。将退火后的Al2O3(0001)衬底放入烧杯中，在70℃的加热台上用丙酮、氨水溶液(5％)、稀盐酸(20％)、去离子水中进行清洗，用氩气吹干，此时获得台阶形貌的Al2O3(0001)衬底；
2)将步骤1)所得Al2O3(0001)衬底移入分子束外延的预处理腔体中，在130℃烘烤4小时，然后将烘烤后的Al2O3(0001)衬底转移到分子束外延的生长腔室中，在750℃下加热除气1小时，然后控制衬底温度到230℃～240℃左右，生长低温Bi2Te3缓冲层，Bi束流为Te束流为/>生长真空为3×10-10mbar，生长时间1～2分钟，然后控制衬底温度到280℃，Sb束流为/>Te束流为/>生长真空为3×10-10mbar，生长4小时的Sb2Te3薄膜，厚度在80nm～120nm范围内。
实施例3
超平整无孪晶Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的分子束外延制备方法，具体步骤如下：
1)选用合肥科晶公司提供的Al2O3(0001)单晶衬底，将其置于Al2O3坩埚舟中，放入马弗炉1300℃退火6小时。将退火后的Al2O3(0001)衬底放入烧杯中，在70℃的加热台上用丙酮、氨水溶液(5％)、稀盐酸(20％)、去离子水中进行清洗，用氩气吹干，此时获得台阶形貌的Al2O3(0001)衬底；
2)将步骤1)所得Al2O3(0001)衬底移入分子束外延的预处理腔体中，在130℃烘烤4小时，然后将烘烤后的Al2O3(0001)衬底转移到分子束外延的生长腔室中，在750℃下加热除气1小时，然后控制衬底温度到230℃～240℃左右，生长低温Bi2Te3缓冲层，Bi束流为Te束流为/>生长真空为3×10-10mbar，生长时间1～2分钟，然后控制衬底温度到300℃，Bi束流为/>Sb束流为/>Te束流为/>生长真空为3×10- 10mbar，生长4小时的Bi0.5Sb1.5Te3薄膜，厚度在80nm～120nm范围内。
如图1所示，实施例1、实施例2、实施例3步骤1)后衬底进行表面形貌分析，Al2O3(0001)在高温下形成了有序的平整台阶，台阶高度为0.8nm～2nm，台阶宽度为70nm～110nm。
图2是实施例1、实施例2、实施例3步骤2)中，所生长Bi2Te3缓冲层的反射式高能电子衍射图像，图中的条纹特征证明了所生长低温Bi2Te3缓冲层的质量良好。
图3是实施例1步骤2)中，所生长Bi2Te3薄膜的反射式高能电子衍射图像，图中尖锐的条纹证明了两步过程中Bi2Te3薄膜的高结晶质量和高平整度。
图4是实施例1步骤2)中，所生长Bi2Te3薄膜的扫描隧道显微镜表面图像，Bi2Te3薄膜非常平整，晶粒尺寸较大，大概为700nm～1200nm。
图5是实施例1步骤2)中，所生长Bi2Te3薄膜的高分辨X射线衍射联动扫描结果，证明薄膜为单晶Bi2Te3(00l)。
图6是实施例1步骤2)中，所生长Bi2Te3薄膜的高分辨X射线衍射面内旋转扫描结果，由六重对称峰变为接近三重峰的状态，孪晶度为0.062，证明Bi2Te3薄膜内部孪晶受到明显抑制。
图7是实施例1步骤2)中，所生长Bi2Te3薄膜的电输运性能，该无孪晶的Bi2Te3薄膜样品在室温附近获得了最高功率因子为4.36mWm-1K-2，在Bi2Te3薄膜性能中处于较高水平。
图8是实施例2步骤2)中，所生长Sb2Te3薄膜的反射式高能电子衍射图像，图中尖锐的条纹证明了两步过程中Sb2Te3薄膜的高结晶质量和高平整度。
图9是实施例2步骤2)中，所生长Sb2Te3薄膜的扫描隧道显微镜表面图像，Sb2Te3薄膜非常平整。
图10是实施例2步骤2)中，所生长Sb2Te3薄膜的高分辨X射线衍射联动扫描结果，证明薄膜为单晶Sb2Te3(00l)。
图11是实施例2步骤2)中，所生长Sb2Te3薄膜的高分辨X射线衍射面内旋转扫描结果，由六重对称峰变为接近三重峰的状态，孪晶度为0.094，证明Sb2Te3薄膜内部孪晶受到明显抑制。
图12是实施例2步骤2)中，所生长Sb2Te3薄膜的电输运性能，该无孪晶的Sb2Te3薄膜样品在室温附近获得了最高PF＝3.73mWm-1K-2，在Sb2Te3薄膜性能中处于较高水平。
图13是实施例3步骤2)中，所生长Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的反射式高能电子衍射图像，图中尖锐的条纹证明了两步过程中Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的高结晶质量和高平整度。
图14是实施例3步骤2)中，所生长Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的扫描隧道显微镜拍摄图像，Bi0.5Sb1.5Te3薄膜非常平整。
图15是实施例3步骤2)中，所生长Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的高分辨X射线衍射联动扫描结果，证明薄膜为单晶Bi0.5Sb1.5Te3(00l)。
图16是实施例3步骤2)中，所生长Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的高分辨X射线衍射面内旋转扫描结果，由六重对称峰变为接近三重峰的状态，孪晶度为0.013，证明Bi0.5Sb1.5Te3薄膜内部孪晶受到明显抑制。
图17是实施例3步骤2)中，所生长Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的电输运性能，无孪晶的Bi0.5Sb1.5Te3薄膜样品在室温附近获得了最高PF＝5.01mWm-1K-2，在Bi0.5Sb1.5Te3薄膜性能中处于较高水平。
对比例1
高生长温度，低Te束流条件下，无孪晶Bi2Te3薄膜的分子束外延制备方法，具体步骤如下：
1)选用合肥科晶公司提供的Al2O3(0001)单晶衬底，将其置于Al2O3坩埚舟中，放入马弗炉1300℃退火6小时。将退火后的Al2O3(0001)衬底放入烧杯中，在70℃的加热台上用丙酮、氨水溶液(5％)、稀盐酸(20％)、去离子水中进行清洗，用氩气吹干，此时获得台阶形貌的Al2O3(0001)衬底；
2)将步骤1)所得Al2O3(0001)衬底移入分子束外延的预处理腔体中，在130℃烘烤4小时(为了除气)；然后将烘烤后的Al2O3(0001)衬底转移到分子束外延的生长腔室中，在750℃下加热1小时(为了除气)，然后控制衬底温度到230℃～240℃左右，生长低温Bi2Te3缓冲层，Bi束流为Te束流为/>生长真空为3×10-10mbar，生长时间1～2分钟，然后控制衬底温度到350℃，Bi束流为/>Te束流为/>生长真空为3×10-10mbar，生长4小时的Bi2Te3薄膜，厚度约80nm～120nm。
图18是对比例1步骤2)中，所生长Bi2Te3薄膜的高分辨X射线衍射面内旋转扫描结果，由六重对称峰变为接近三重峰的状态，孪晶度为0.011，证明Bi2Te3薄膜内部孪晶受到明显抑制。
图19是对比例1步骤4)中，所生长Bi2Te3薄膜的电输运性能，在生长温度为350℃，Bi束流为Te束流为/>的生长条件下，无孪晶的Bi2Te3薄膜样品在室温附近获得了最高功率因子为0.93mWm-1K-2，性能较差，可能是由于生长温度相对高，Te束流又相对较小。
对比例2
Bi2Te3薄膜的分子束外延制备对比例，具体步骤如下：
1)选用合肥科晶公司提供的Al2O3(0001)单晶衬底，不进行退火处理，放入烧杯中，在70℃的加热台上用丙酮、氨水溶液(5％)、稀盐酸(20％)、去离子水中进行清洗，用氩气吹干，此时获得台阶形貌的Al2O3(0001)衬底；
2)将步骤1)所得Al2O3(0001)衬底移入分子束外延的预处理腔体中，在130℃烘烤4小时(为了除气)；然后将烘烤后的Al2O3(0001)衬底转移到分子束外延的生长腔室中，在750℃下加热1小时(为了除气)，然后控制衬底温度到230℃～240℃左右，生长低温Bi2Te3缓冲层，Bi束流为Te束流为/>生长真空为3×10-10mbar，生长时间1～2分钟，然后控制衬底温度到300℃，Bi束流为/>Te束流为/>生长真空为3×10-10mbar，生长4小时的Bi2Te3薄膜，厚度约80nm～120nm。
图20是对比例2步骤2)中，所生长Bi2Te3薄膜的高分辨X射线衍射面内旋转扫描结果，出现明显的六重对称峰，孪晶度为0.67，孪晶含量较高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法，其特征在于，它以Bi、Sb、Te为蒸发源，在台阶形貌的Al2O3(0001)衬底上外延，制备得到超平整、无孪晶的BixSb2-xTe3薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
(1)Al2O3(0001)衬底的腔体外前处理：对Al2O3(0001)衬底进行高温退火，然后洗涤并干燥，获得台阶形貌的Al2O3(0001)衬底；
(2)低温Bi2Te3缓冲层的生长：将步骤(1)所得台阶形貌的Al2O3(0001)衬底，放入分子束外延的预处理腔室，经烘烤以除气后传样放入生长腔室中，然后加热以除气，以Bi、Te为蒸发源控制衬底温度到230℃～240℃生长低温Bi2Te3缓冲层；
(3)BixSb2-xTe3薄膜的生长：在生长腔室中，继续以Bi、Sb、Te为蒸发源，控制衬底衬底温度到240℃～340℃，在低温Bi2Te3缓冲层生长得到超平整无孪晶的BixSb2-xTe3薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法，其特征在于，BixSb2-xTe3薄膜中的x大于等于0，小于等于2；台阶形貌的Al2O3(0001)衬底，其台阶高度0.4nm～3.0nm，宽度为20nm～150nm。
4.根据权利要求2所述的一种超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法，其特征在于，步骤(2)中，Bi束流为Te束流为/>生长时间0.5分钟～2分钟。
5.根据权利要求2所述的一种超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法，其特征在于，步骤(3)中，Bi与Sb总束流为Bi束流为/>Sb束流为/>Te束流为/>生长时间2小时以上。
6.根据权利要求1所述的一种超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法，其特征在于，步骤(2)中，预处理腔室的真空为5×10-7mbar～1×10-8mbar，烘烤除气的温度为100～160℃，时间3小时以上；生长腔室中加热除气的温度为650℃～850℃，时间为0.5小时～2小时。
7.根据权利要求1所述的一种超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法，其特征在于，步骤(2)中，低温Bi2Te3缓冲层的生长真空为5×10-9mbar～1×10-10mbar；步骤(3)中，BixSb1-xTe3薄膜的生长真空为5×10-9mbar～1×10-10mbar，厚度为50nm以上。
8.根据权利要求1所述的一种超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高温退火的温度为1000℃～1500℃，时间为4h以上；洗涤在有机溶剂、碱性溶剂、酸性溶剂和去离子水中依次清洗，清洗的温度为45℃～100℃；干燥使用惰性气体吹干。
9.权利要求1～8中任一项方法制备的超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜。
10.根据权利要求9所述的超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜，其特征在于，所制备的BixSb2-xTe3薄膜的孪晶度在0.1以内，厚度在50nm以上，结晶质量好，其中n型Bi2Te3的功率因子在2.5mWm-1K-2以上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310995728.1A CN117089928A (zh) | 2023-08-09 | 2023-08-09 | 超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310995728.1A CN117089928A (zh) | 2023-08-09 | 2023-08-09 | 超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117089928A true CN117089928A (zh) | 2023-11-21 |
Family
ID=88769152
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310995728.1A Pending CN117089928A (zh) | 2023-08-09 | 2023-08-09 | 超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117089928A (zh) |
-
2023
- 2023-08-09 CN CN202310995728.1A patent/CN117089928A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107287578B (zh) | 一种大范围均匀双层二硫化钼薄膜的化学气相沉积制备方法 | |
| CN112086344B (zh) | 一种铝镓氧/氧化镓异质结薄膜的制备方法及其在真空紫外探测中的应用 | |
| CN104962858A (zh) | 基于GaAs衬底的氧化镓薄膜及其生长方法 | |
| CN113278948B (zh) | 一种硫化锡/二硫化锡异质结材料及其制备方法 | |
| CN112831768B (zh) | 一种高结晶质量的氮化铪薄膜制备方法及应用 | |
| Zhao et al. | Nucleation and growth of ZnO nanorods on the ZnO-coated seed surface by solution chemical method | |
| CN111334856B (zh) | 用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO单晶薄膜的方法 | |
| CN109913945B (zh) | 一种在硅(211)衬底上生长硒化铋高指数面单晶薄膜的方法 | |
| CN110724922B (zh) | 一种柔性衬底上晶体取向和极性可控的外延azo薄膜及其制备方法 | |
| CN105118853A (zh) | 基于MgO衬底的氧化镓薄膜及其生长方法 | |
| CN104818452A (zh) | 一种制备氮铝共掺杂p型氧化锌薄膜的方法 | |
| US11982017B2 (en) | Transparent conductive oxide thin film and use thereof | |
| CN117089928A (zh) | 超平整无孪晶BixSb2-xTe3薄膜的分子束外延制备方法 | |
| CN111874876B (zh) | 一种生长碲化铜的方法、碲化铜及应用 | |
| CN115084322A (zh) | 一种无错配非极性ZnO薄膜的制备方法 | |
| CN111933738B (zh) | 基于分子束外延技术的自成结光电探测器及其制备方法 | |
| CN109440190B (zh) | 一种NbSe2单晶层状纳米片的合成装置及其合成方法 | |
| CN110634749B (zh) | 一种BaSi2薄膜的外延生长方法 | |
| Xu et al. | Effect of Growth Temperature on the Characteristics of β-Ga203 Thin Films Grown on 4H-SiC (0001) Substrates by Low Pressure Chemical Vapor Deposition | |
| CN114959635B (zh) | 一种硫化锡/二硫化钼混合维度范德华异质结的制备方法 | |
| Tolstova et al. | Molecular beam epitaxy of Cu2O heterostructures for photovoltaics | |
| Du et al. | Epitaxial growth of BaSi2 thin films by co-sputtering of Ba and Si for solar cell applications | |
| CN114438595B (zh) | 一种利于提高散热性的氮化镓外延生长方法 | |
| CN112376113B (zh) | 一种硒化锑晶体、其制备方法及应用 | |
| CN113571404B (zh) | 一种β-Ga2O3薄膜的生长方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |