張 濤, 仇懷利, 王 軍, 杜洪洋, 徐 偉, 李中軍

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

?

Sb2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜的MBE制備研究

張 濤, 仇懷利, 王 軍, 杜洪洋, 徐 偉, 李中軍

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章以高純Sb和Te為銻源和碲源,使用分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)設(shè)備,在超高真空條件下外延生長拓?fù)浣^緣體薄膜。通過XRD(X-ray diffraction)、SEM(scanning electron microscope)等檢測手段對薄膜樣品進行物像和表面分析,研究了不同襯底溫度、束流大小和束流比、生長時間等因素對薄膜質(zhì)量的影響。

Sb2Te3薄膜;超高真空;分子束外延;拓?fù)浣^緣體;制備

三維拓?fù)浣^緣體作為一種具有特殊表面態(tài)的新型量子物質(zhì)態(tài)[1-5],成為近年物理學(xué)及材料學(xué)領(lǐng)域研究的前沿。拓?fù)浣^緣體材料內(nèi)部是絕緣體,表面存在著無能隙的、受時間反演對稱性保護的金屬態(tài)。這種表面態(tài)由體電子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)決定,不易受到體系中缺陷和雜質(zhì)的影響,因此電子能有序地通過在拓?fù)浣^緣體的通道,彼此之間沒有碰撞,也沒有能量耗散。故拓?fù)浣^緣體有望解決半導(dǎo)體器件面臨的瓶頸,在基礎(chǔ)研究、量子計算機、熱電效應(yīng)和自旋電子器件領(lǐng)域都具有獨特的應(yīng)用價值。

利用分子束外延技術(shù)精確可控地生長高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體薄膜,是研究拓?fù)浣^緣體的新奇量子現(xiàn)象和探索其在自旋電子學(xué)和量子計算等應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。Sb2Te3、Bi2Te3等材料被理論和試驗證實為拓?fù)浣^緣體[6],Sb2Te3薄膜可在藍寶石襯底上用分子束外延生長得到。

1 試 驗

1.1 試驗所需材料及設(shè)備

試驗材料為:銻(Sb,金屬顆粒,純度為99.999%),碲(Te,非金屬顆粒,純度為99.999%),無水乙醇(純度≥99.7%),丙酮(純度≥99.5%),去離子水,液氮,高純氮氣(純度≥99.999%),氦氣(純度≥99.999%),鉬基板,藍寶石襯底。

試驗設(shè)備為:超純水機(KNT-I-05),超聲清洗器(KQ2200E),真空干燥器(JK-VC-20),工業(yè)冷水機組(KANSA ICA-15L),超高真空分子束外延設(shè)備(AdNaNotek MBE-9)。

1.2 材料的預(yù)處理和樣品的制備

本試驗中所使用的鉬基板要具有較高熔點、高溫強度高、高導(dǎo)熱率、較低的線膨脹系數(shù)、良好的高溫機械穩(wěn)定性等特點,才能在試驗過程中不污染系統(tǒng)的情況下給襯底導(dǎo)熱。同時,試驗中所使用的藍寶石襯底的晶格類型與晶格常數(shù)與所要生長的拓?fù)浣^緣體薄膜的晶格類型與晶格常數(shù)偏差不能太大,這樣才有利于薄膜的生長。在使用分子束外延技術(shù)生長拓?fù)浣^緣體薄膜的過程中,基板與襯底表面的清潔度會影響拓?fù)浣^緣體材料薄膜的質(zhì)量。因此在進行外延生長薄膜之前,要對鉬基板與藍寶石襯底進行預(yù)處理,去除其表面的無機物、有機油脂、灰塵以及微生物等雜質(zhì),使其具有較高的清潔度。清潔的具體步驟如下。

(1) 用細砂紙對鉬基板進行打磨處理,去除上一次試驗時生長到鉬基板上的物質(zhì)。

(2) 將鉬基板與藍寶石襯底分別放入2個潔凈的燒杯中,并倒入無水乙醇,在35 ℃的溫度下進行超聲清洗10 min。

(3) 將鉬基板與藍寶石襯底取出,用去離子水漂洗燒杯后,將其沖洗放入燒杯,并倒入丙酮,在35 ℃的溫度下進行超聲清洗10 min。

(4) 將用丙酮清洗后的鉬基板和藍寶石襯底從燒杯中取出,用去離子水漂洗燒杯后,將鉬基板和藍寶石襯底重新放入2個燒杯中,加入去離子水在35 ℃的溫度下進行超聲清洗10 min。

(5) 重復(fù)步驟(2)～步驟(4) 2次,然后用去離子水沖洗鉬基板和藍寶石襯底。

(6) 用高純氮氣吹干鉬基板和藍寶石襯底,并將藍寶石襯底用鉬螺絲和高溫陶瓷墊片固定在鉬基板上,用無塵紙和鋁箔紙覆蓋后放入真空干燥器內(nèi)備用。

在薄膜生長之前要對束源爐中的材料除氣,即將各束源爐的溫度升至爐中材料在超高真空環(huán)境下熔點50 ℃以上,并保持60 min。在超高真空條件的不同溫度下用束流檢測器(beam flux monitor,BFM)對材料Sb、Te測得的束流量見表1所列。

對所用材料進行預(yù)處理之后,將載有藍寶石襯底的鉬基板放入真空進樣室中磁耦合傳樣桿的托架上。對真空進樣室抽真空,當(dāng)其真空度與生長室真空度小于2個數(shù)量級后,打開真空進樣室與生長室之間的閘板閥,將載有藍寶石襯底的鉬基板傳入生長室中的旋轉(zhuǎn)生長臺上,然后對其進行烘烤除氣處理。烘烤除氣步驟為:打開液氮閥門,設(shè)置烘烤溫度為1 100 ℃,升溫速率為0.4 ℃/s,時間為70 min,退火速率為0.4 ℃/s(開始退火時調(diào)小液氮流量)。退火完成后的襯底可通過反射式高能電子衍射儀RHEED對其表面的平整度、清潔度及表面結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測[7]。分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)設(shè)備生長室的示意圖如圖1所示,在烘烤除氣和薄膜生長過程中生長室與外部之間的腔體內(nèi)通入液氮。

表1 Sb、Te在不同真空度和溫度下的束流值

圖1 MBE生長室示意圖

對襯底進行烘烤除氣處理之后便可進行薄膜的生長。首先將Sb、Te束源爐的溫度升到各材料所需要的溫度(升溫速率為0.05 ℃/s);待溫度穩(wěn)定后,分別依次打開各束源爐的擋板,用束流檢測器測定各束源爐溫度穩(wěn)定后2種源料的束流大小,并通過調(diào)節(jié)各束源爐的溫度來調(diào)節(jié)其束流比;待束流大小和束流比穩(wěn)定后再次打開液氮并調(diào)用薄膜生長程序,即修改生長時襯底溫度、襯底升溫速率、襯底溫度穩(wěn)定時間、生長時間、substrate轉(zhuǎn)速、各束源爐降溫速率及最終溫度值、襯底降溫速率等參數(shù),確認(rèn)無誤后,運行程序;程序運行開始后待襯底達到所設(shè)溫度且運行完穩(wěn)定時間后,襯底下方擋板會自動打開,此時外延薄膜生長開始。

在薄膜生長的過程中可利用反射式高能電子衍射儀對薄膜的生長進行實時監(jiān)測。待樣品生長完成后,程序會控制樣品冷卻降溫,降溫后即可把樣品由MBE生長室通過磁耦合傳樣桿傳入至真空進樣室,然后可對真空進樣室進行破真空，將外延生長后的薄膜樣品取出進行下一步的表征測試。使用MBE設(shè)備在超高真空條件下生長的薄膜樣品實物圖和其相應(yīng)的RHEED圖如圖2所示。

圖2 薄膜樣品實物圖及RHEED圖

2 樣品表征

利用MBE生長出的薄膜,使用RHEED對其進行初步檢測只能表征出其表面的平整度、清潔度,而不能確定所生長的薄膜是否為Sb2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜,此時要用其他測試儀器對所生長的薄膜樣品進行測試。如果測試結(jié)果證明所生長的樣品不是Sb2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜,在接下來的試驗中則可根據(jù)測試結(jié)果改變生長條件進行薄膜的生長。

在試驗中對所生長薄膜樣品的表征方法是利用X射線衍射儀(日本 D/MAX2500V)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日立SU8020)對薄膜樣品的表面形貌和結(jié)構(gòu)進行分析。

3 結(jié)果與討論

在使用MBE設(shè)備進行薄膜生長時,生長室真空度、襯底溫度、生長時間、束流大小以及束流比等因素是決定及影響薄膜質(zhì)量的主要因素,當(dāng)使用超高真空分子束外延設(shè)備生長Sb2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜時要滿足TTe

從使用MBE生長出的薄膜樣品中選取樣品A、B、C,利用X射線衍射儀對其分析的圖像分別為a、b、c，如圖3所示。從圖3可以看出，在其他條件相同而只改變藍寶石襯底的溫度時,XRD(X-ray diffraction)圖中波峰尖銳程度與標(biāo)準(zhǔn)比對卡有較大的偏差。雖然生長完成后的樣品中有Sb2Te3存在,但是同時還含有單質(zhì)和Sb、Te。同時,從這3個樣品的XRD圖中可以看出，當(dāng)溫度為360 ℃和370 ℃時,Sb2Te3的波峰強度比300 ℃時有較明顯的提高。因此在后來薄膜生長時,可嘗試再次提高襯底溫度。

表2 樣品的生長條件

樣品D、E、F的SEM(scanning electron microscope)圖如圖4所示,各樣品的生長條件見表2所列。由于測試時沒有對樣品進行噴金處理,致使樣品表面導(dǎo)電性不佳,當(dāng)放大倍率增大時,圖像會產(chǎn)生漂移。樣品D和E的生長條件只有束流比不同,從圖4可以看出，樣品D薄膜出現(xiàn)島狀生長,而樣品E表面比樣品D要光滑。3個樣品中,樣品F的表面最為光滑。由生長條件可知,在后期的薄膜生長中基本可以將生長溫度穩(wěn)定在400℃左右。

樣品E、F的EDS能譜圖如圖5所示。

圖4 樣品D、E、F的SEM圖

圖5 樣品E、F的EDS圖

圖5中給出了薄膜樣品中Sb、Te的原子百分比,通過樣品EDS能譜圖中各元素原子百分比和所生長薄膜時的束流大小和束流比可以了解樣品中的元素含量,從而在后期試驗中有目的地調(diào)節(jié)束流大小或束流比來生長Sb2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜。

4 結(jié) 論

本文試驗中使用超高真空分子束外延設(shè)備,通過控制生長條件在藍寶石襯底上進行Sb2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜的生長,并通過對所生長的部分薄膜樣品的表征進一步優(yōu)化生長條件及生長工藝。通過控制襯底溫度、生長時間、束流大小、束流比等因素生長出高質(zhì)量的Sb2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜。

[1] KANE C L,MELE E J.Z2 topological order and the quantum spin Hall effect.[J].Physical Review Letters,2005,95(14):146802.

[2] MOORE J E.Topological insulators:the next generation[J].Nature Physics,2009,5(6):378-380.

[3] MOORE J E.The birth of topological insulators[J].Nature,2010,464(7286):194-198.

[4] QI X L,ZHANG S C.The quantum spin Hall effect and topological insulators[J].Physics Today,2010,63(1):33-38.

[5] HASAN M Z,KANE C L.Colloquium: topological insulator[J].Reviews of Modern Physics,2010,82:3045-3067.

[6] ZHANG H J,LIU C X,QI X L,et al.Topological insulators in Bi2Se3,Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface[J].Nature Physics,2009,5(6):438-442.

[7] CHO A Y,ARTHUR J R.Molecular beam epitaxy[J].Surface Science,2002,500(1/2/3):189-217.

[8] ZHANG Y,He K,CHANG C Z,et al.Crossover of the three-dimensional topological insulator Bi2Se3 to the two-dimensional limit [J].Nature Physics,2010,6:584-588.

[9] LI Y Y,WANG G,ZHU X G,et al.Intrinsic topological insulator Bi2Te3 thin films on Si and their thickness limit[J].Advanced Materials,2010,22(36):4002-4007.

(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Preparation of Sb2Te3topological insulator film by MBE

ZHANG Tao, QIU Huaili, WANG Jun， DU Hongyang, XU Wei, LI Zhongjun

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Using high pure antimony and tellurium, topological insulator Sb2Te3thin films grew under ultrahigh vacuum condition by using molecular beam epitaxy(MBE) facilities. The images and surface of the thin film sample were analyzed by the methods of X-ray diffraction(XRD), field emission scanning electron microscope(SEM) and so on. The effect of different substrate temperatures, beam flux and beam flux ratios, growth time on the quality of the films is explored.

Sb2Te3thin film; ultrahigh vacuum; molecular beam epitaxy(MBE); topological insulator; preparation

2015-04-15；

2015-05-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(21503061)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(JZ2015-HGXJ0184)

張 濤(1992-),男,安徽亳州人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

仇懷利(1977-),男,山東聊城人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.013

O484.1

A

1003-5060(2016)09-1216-04