Author Produced

מולקולרית בסיוע מולקולרי הקרן הצמיחה הגידול של Mg3n2 ו Zn3n2 סרטים דקים

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

מאמר זה מתאר את הצמיחה של הסרטים האפיציריים של Mg3n2 ו zn3N2 על mgo מצעים על ידי בסיוע פלזמה מולקולרי קרן הקורה עם N2 גז כמו מקור החנקן וניטור הצמיחה האופטית.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Wu, P., Tiedje, T. Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg3N2 and Zn3N2 Thin Films. J. Vis. Exp. (147), e59415, doi:10.3791/59415 (2019).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

מאמר זה מתאר הליך לגידול Mg3n2 ו-zn3n2 סרטים על-ידי כאפיאקטיות בסיוע פלזמה של קרן מולקולרית (mbe). הסרטים גדלים על 100 מוכוונת MgO מצעים עם N2 גז כמו מקור החנקן. השיטה להכנת מצעים ותהליך הגדילה של MBE מתוארים. הכיוון ואת הסדר הגבישי של משטח המצע והסרט מנוטרים על ידי השתקפות אנרגיה גבוהה עקיפה של אלקטרון (RHEED) לפני ובמהלך הצמיחה. השתקפות השתקפות של משטח המדגם נמדדת במהלך הצמיחה עם לייזר Ar-ion עם אורך גל של 488 ננומטר. על-ידי התאמת התלות הזמנית של ההשתקפות למודל מתמטי, נקבע המדד השבירה, מקדם ההכחדה האופטי וקצב הצמיחה של הסרט. פלופי המתכת נמדדים באופן עצמאי כפונקציה של הטמפרטורות בתאי האפיתוך באמצעות צג גביש קוורץ. שיעורי צמיחה אופייני הם 0.028 ננומטר/s בטמפרטורות הצמיחה של 150 ° צ' ו 330 ° צ' עבור Mg3n2 ו zn3n2 סרטים, בהתאמה.

Introduction

II3-V2 חומרים הם מחלקה של מוליכים למחצה שקיבלו תשומת לב יחסית מן הקהילה מחקר מוליך למחצה לעומת III-V ו-II-VI מוליכים למחצה1. Mg ו Zn nitrides, Mg3n2 ו-zn3N2, הם אטרקטיבי עבור יישומי הצרכן משום שהם מורכבים אלמנטים שונים ולא רעילים, מה שהופך אותם זול וקל למחזר בניגוד לרוב III-V ו-II-VI מוליכים למחצה מורכבים. הם מציגים מבנה אנטי-ביקסוניט בקריסטל דומה למבנה של קפה2 , עם אחד האנשים האחרים הנמצאים בשטח מאוכלס בחצי,3,4,5. הם שניהם הפער להקה ישירה חומרים6, מה שהופך אותם מתאימים יישומים אופטיים7,8,9. פער הלהקה של Mg3N2 הוא בספקטרום גלוי (2.5 eV)10, ואת הפער הלהקה של zn3N2 הוא בסמוך-אינפרא אדום (1.25 eV)11. כדי לחקור את המאפיינים הפיזיים של חומרים אלה ואת הפוטנציאל שלהם עבור יישומי המכשיר האלקטרוני והאופטי, זה קריטי כדי להשיג איכות גבוהה, סרטי קריסטל יחיד. רוב העבודה על חומרים אלה עד היום בוצעה על הסרטים אבקות או פוליגביניים שנעשו על ידי התזה תגובתי12,13,14,15,16, . שבע עשרה

מולקולרית הקרן (MBE) היא שיטה מפותחת ומגוונת עבור הצומח בודד קריסטל מתחם סרטים מוליכים למחצה18 כי יש פוטנציאל להניב חומרים באיכות גבוהה באמצעות סביבה נקייה מקורות היסודות טוהר גבוהה. בינתיים, MBE פעולה תריס מהירה מאפשר שינויים בסרט בסולם השכבות האטומי ומאפשר בקרת עובי מדויק. נייר זה מדווח על התפתחותם של Mg3n2 ו zn3n2 הסרט האפיציאני ב-mgo מצעים על ידי פלזמה, באמצעות הטוהר הגבוה zn ו-Mg כמו מקורות אדים ו-N2 גז כמו מקור החנקן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. MgO הכנה מצע

הערה: מסחרי חד צדדי אפינפרין-מלוטש (100) מונחה גביש יחיד מרובע מצעים מרובעים (1 ס מ x 1 ס מ) היו מועסקים עבור X3N2 (x = Zn ו-Mg) סרט דק הצמיחה.

  1. חום בטמפרטורה גבוהה
    1. מניחים את MgO על מנשא נקי ספיר וופל עם הצד מלוטש פונה כלפי מעלה על הכבשן ולאחר 9 h ב 1,000 ° c. העלה את הטמפרטורה ל 1000 ° c מעל לתקופה של 10 דקות.
      הערה: טמפרטורה גבוהה מסיר את הפחמן מפני השטח ומשחזר את מבנה גביש השטח של MgO באחד מצעים גביש.
    2. מצננים את מצעים MgO לטמפרטורת החדר (RT).
  2. ניקוי מצע
    1. לאסוף את מצעים MgO הנקוע ולשטוף את המים המלא בגביע נקי בורוסיליקט זכוכית.
    2. מרתיחים את מצעים MgO ב 100 מ ל של אצטון ב 250 mL בורוסיליקט זכוכית גביע במשך 30 דקות כדי להסיר זיהום פחמן אורגניים מטיפול.
      הערה: כסה את הגביע ואל תאפשר לאצטון לרתוח יבש.
    3. לנקז את אצטון ולשטוף את מצעים MgO ב 50 mL של מתנול.
    4. לנשוף לייבש את מצעים עם גז חנקן, ואז לאחסן את יבש, מצעים נקיים במגש שבב נקי.

2. מבצע של VG V80 MBE

  1. פתחו את המים הצוננים לחדר ההכנה, הקריומעטה בחדר הגידול (ראו איור 1), תאי היתוך, וחיישן קוורץ מיקרו-איזון גבישי.
  2. הפעל את לייזר Ar-ion עם אורך גל של 488 ננומטר. אור הלייזר מובא לחדר MBE עם סיב אופטי מהלייזר, הממוקם בחדר אחר.
  3. הפעל את ההשתקפות אנרגיה גבוהה עקיפה אקדח (RHEED), 13.56 תדר רדיו Mhz (rf) פלזמה גנרטור, ו קוורץ גביש מיקרו איזון (QCM) מערכת.

3. טעינת מצע

  1. מנעול כניסה מהירה
    1. הר המצע MgO נקי על המחזיק לדוגמה מוליבדן (איור 2A) באמצעות קליפים באביב טונגסטן.
    2. כבה את משאבת טורבו על המנעול כניסה מהירה (FEL) ולפרוק את התא FEL עם חנקן. פתח את ה-FEL כשהלחץ התאי. מגיע ללחץ אטמוספרי
    3. הסר את הקלטת של מחזיק הדוגם מתוך ה-FEL וטען את מחזיק הדגימה עם המצע לתוך הקלטת.
    4. טען את הקלטת חזרה ל-FEL והפעל את משאבת הטורבו בחזרה.
    5. לחכות הלחץ ב FEL לרדת כדי 10-6 Torr.
    6. הגדל את הטמפרטורה של נעילת הכניסה המהירה ל 100 ° c על פני תקופה של 5 דקות ודגה את מצעים עם בעלי עבור 30 דקות במנעול כניסה מהירה.
  2. ודא שהלחץ במנעול הכניסה המהיר הוא מתחת ל-10-7 Torr לפני פתיחת שסתום הוואקום אל חדר ההכנה. העבר את המחזיק באמצעות מנגנון העברת ההרעדה לחדר ההכנה, ולאחר מכן העלה את תחנת הדלק עד 400 ° צ' ולאפשר לו לדגה עבור 5 h.
  3. להעביר את מחזיק הדגל על ידי מנגנון העברת העגלה לדגם מניפולטור בחדר הגידול. להגדיל את טמפרטורת המצע עד 750 ° צ' על פני תקופה של 30 דקות ולאפשר את המדגם כדי outgas של מניפולטור במשך 30 דקות נוספות. ודא שהמים הצוננים מופעלים בקריומעטה כדי למנוע התחממות יתר של הקריומעטה.
  4. שחרר את הטמפרטורה של המצע עד 150 ° צ' עבור Zn3n2 הסרט צמיחה ו 330 ° c עבור Mg3n הסרט צמיחה באמצעות הזוג התרמוטרטור לדוגמה כדי למדוד את טמפרטורת המדגם.
  5. באתרו
    1. הגדר את המתח על האקדח אלקטרון כדי 15 kV ו פילמנט הנוכחי 1.5 A פעם את הלחץ בתא הצמיחה הוא מתחת 1 x 10-7 Torr.
    2. סובב את מחזיק המצע עד 1) האקדח אלקטרון מיושר לאורך ציר פגמים בגבישים העיקרון של המצע 2) דפוס ברור הגביש האלקטרוני עקיפה ברורה הוא גלוי.
    3. צלם תמונה של תבנית RHEED ושמור את התמונה.
  6. סגרו את התריס על התא האפיתוך ועצרו את זרימת החנקן. למדוד את דפוס RHEED עבור הסרט הופקד כאשר הלחץ הקאמרי הוא מתחת 10-7 Torr.

4. מדידות השטף מתכת

  1. השתמש בקבוצה רגילה סוג III בתאי היתוך או טמפרטורה נמוכה אפוזיה תאים עבור Mg ו zn.
  2. לטעון את הצלבים עם 15 גרם ו -25 גרם של ג ' ל הטוהר גבוהה וירה Zn, בהתאמה.
  3. כאשר קאמרית הצמיחה השיגה ואקום של 10-8 Torr או טוב יותר, ולפני טעינת מחזיק המצע, outgas מקור Zn או Mg בתאי המקור עד 250 ° צ' בקצב של ~ 20 ° c/מינימום ולאפשר לו להגזים עבור 1 h עם התריסים סגורים.
  4. לאחר המצע נטען לתוך מניפולטור מדגם, החום התאים zn ו/או Mg אפוזיה ל 350 ° צ' או 390 ° c בהתאמה, בקצב השיפוע של ~ 10 ° c/min, ולחכות 10 דקות כדי שיתייצב עם התריסים סגורים.
  5. השתמש בצג גביש הקוורץ הנשלף כדי למדוד את שטף המתכת. מקמו את חיישן גביש הקוורץ מול המצע שבתוך החדר. ודא כי המצע מכוסה במלואו על ידי הגלאי כך שאין מתכת מופקד על מצע.
  6. קלט את צפיפות מתכת הריבית (ρZn = 7.14 g/ס"מ3, ρMg = 1.74 g/cm3) לתוך צג גביש קוורץ (qcm) בקר.
  7. כדי לכייל את שטף, לפתוח את התריס עבור אחד מקורות מתכת ולאפשר את התא האפיתוך להפקיד על החיישן. מערכת QCM ממירה את המדידה הפנימית של מסה עד עובי.
  8. לחשב את שטף היסודות מן השיפוע של עובי הגוברת כפונקציה של זמן המוצג על QCM. שיעור העלייה של עובי מעל כמה דקות הוא פרופורציונלי שטף היסודות. בשני מקרים לדוגמה, שטף Zn של 0.45 ננומטר/s ו השטף Mg של 1.0 ננומטר/s מתקבלים.
  9. לשנות את הטמפרטורה של התאים אפוזיה וחזור על שלב 4.8 אם התלות בטמפרטורה של שטף נדרש. התלות טמפרטורה נמדד של Mg ו Zn השטף מוצג באיור 3 עבור מערכת זו צמיחה ספציפית.
  10. כאשר מדידות השטף הושלמו, לסגור את התריסים על התאים האפופיוז ולמשוך את חיישן גביש קוורץ.

5. פלזמה חנקן

  1. לכבות את הזרם חוט הלהט מתח גבוה על האקדח RHEED כדי למנוע נזק בנוכחות של לחץ גבוה N2 גז בחדר הגידול.
  2. פתח את שסתום הגז על הלחץ הגבוה N2 גליל.
  3. לאט לפתוח את שסתום דליפה לאט עד לחץ החנקן בחדר הגידול מגיע 3 x 10-5-4 x 10-5 Torr.
  4. הגדר את הכוח של גנרטור פלזמה כדי 300 W.
  5. להצית את הפלזמה עם המצת. או על מקור הפלזמה זוהר סגול בהיר יהיה גלוי מן האשנב כאשר פלזמה מתלקח, כפי שמוצג באיור 2B.
  6. להתאים את הפקד על תיבת התאמת rf כדי למזער את הכוח משתקף ככל האפשר. כוח משתקף של פחות מ 15 W הוא טוב; במקרה זה, הכוח המשתקף מופחת ל-12 ואט.

6. באתרו, פיזור אור לייזר

  1. למקד את קצוצים 488 ננומטר אור לייזר ארגון משתקף המצע בחדר הגידול על פוטודיודה Si כך שאות חשמלי ניתן לזהות על ידי מגבר מנעול. זה מושגת על ידי התאמת זווית המצע על ידי סיבוב מחזיק המצע סביב שני צירים והתאמת המיקום של גלאי סי, ואז התמקדות העדשה האוספת את האור המשתקף כפי שמוצג באיור 4.
  2. פתח את התריס של אחד ממקורות המתכת.
  3. הקלט את ההשתקפות התלויה בזמן עם לוגר נתונים מבוקר מחשב. צמיחת הסרט האפיציאני יפיק אות משתקף עם הזמן הקשור הפרעות סרט דק בין הקדמי והאחורי של הסרט.
  4. כדי להגן על הסרט מפני חמצון באוויר, הפקדה שכבת אנקפסולציה כדי להגן על הסרט מפני חמצון באוויר. זה חשוב במיוחד עבור Mg3N2 אשר מחמצן במהירות באוויר.
  5. כדי להפקיד שכבת עטיפת משנה MgO, לסגור את הגז חנקן, לעבור לגז חמצן, חזור על שלב 5.3, ולהגדיל את לחץ החמצן ל 1 x 10-5 Torr.
  6. הגדר את העוצמה של גנרטור פלזמה כדי 250 W וחזור על שלב 5.5. הפלסמה מתחילה בכוח rf נמוך. עם גז חמצן מאשר עם גז חנקן
  7. פתח את התריס על מקור Mg, וחזור על שלב 6.4 עבור 5-10 דקות.
    הערה: זה יפיק סרט MgO כי הוא על 10 ננומטר עבה. הסרט Mg3N2 סרטים הם צהובים אבל לדעוך במהירות לצבע לבנבן בתוך 20 עם חשיפה לאוויר. כתוצאה מכך, שכבת אנקפסולציה נדרשת כדי לאפשר זמן למדידות בסרטים לפני שהם מתחמצן לאחר ההסרה מחדר הוואקום.
  8. לסגור את שסתומי הגז, לכבות את הלייזר, ולהוריד את המצע ואת טמפרטורת התאים ל ~ 25 ° c בתוך 30 דקות. כבה את המים הצוננים ואת. כוח הרדיו למקור הפלזמה
  9. לאחר הצמיחה כמה מופעל, החלונות האופטיים להיות מכוסים במתכת. להסיר את המתכת על ידי לעטוף את החלון ברדיד אלומיניום ולחמם אותו עם החימום עד 400 ° צ' וקצב טמפרטורה של ~ 15 ° c/min או איטי יותר במהלך סוף השבוע.

7. קביעת קצב הצמיחה

  1. השתמש במשוואה 1 להלן כדי לתאר את ההשתקפות האופטית של הדוגמה11,19.
    Equation 11
    איפה
    Equation 2(1-a)
    Equation 4(1-ב)
    Equation 5(1-c)
    Equation 6(1-d)
  2. והיכן: n2 = 1.747 הוא מדד השבירה של המצע mgo באורך הגל של 488 ננומטר; θ0 היא זווית קרן האירוע נמדד ביחס למשטח המצע נורמלי; ו- t הוא הזמן. הקבועים האופטיים של הסרט (n1 ו- k1) וקצב הגדילה מתקבלים על ידי התאמת ההשתקפות כפונקציה של זמן במשוואה 1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

האובייקט השחור בכניסה באיור 5B הוא תצלום של כמבוגר 200 ננומטר zn3N2 סרט דק. באופן דומה, האובייקט הצהוב בכניסה באיור 5C הוא כמו גדל 220 nm Mg3N2 סרט דק. הסרט הצהוב הוא שקוף במידה שהוא קל לקריאה טקסט הממוקם מאחורי הסרט10.

המשטח של המצע והסרטים היו מנוטרים באתרו על ידי rheed. איור 5A מראה את דפוס rheed של מצע חשוף עם האירוע קרן האלקטרונים לאורך [110] כיוון של המצע. תבניות rheed עבור הסרטים שהופקדו באיור 5b,ג ' סי להראות כי סורגי גביש של zn3n2 ו-Mg3n2 סרטים דקים מכוונים במישור של משטח המצע, כצפוי במקרה של אפיצירית צמיחה. החיסרון של RHEED עבור ניטור הצמיחה תחת התנאים המשמשים כאן היא כי תהליך הצמיחה חייב להיעצר כדי לאפשר את הלחץ לרדת 10-7 Torr ולהדליק את האקדח אלקטרון.

לעומת RHEED, מדידות השתקפות אופטית באתרו לא מושפעים לחץ בחדר. כדי להשיג את שיעור הצמיחה, השתקפות אופטית באתרו היה מתאים כפונקציה של זמן המוצג באיור 6 באמצעות משוואה 1. במשוואה זו, זמן צמיחה t הוא המשתנה העצמאי, והקבועים האופטיים של הסרט (n1, k1) וקצב הצמיחה הם פרמטרים מתאימים. באיור 6, the mgo המצע השבירה מדד, זווית של שכיחות, ואת אורך הגל הם n2 = 1.747, θ0 = 36.5 °, ו λ = 488 nm, בהתאמה. מדד השבירה המצויד של הסרט הוא n1 = 2.65, מקדם הכחדה הוא k1 = 0.54, ואת שיעור הצמיחה = 0.031 nm/s עבור הסרט zn3n2 דק כפי שמוצג באיור 6a. באופן דומה, ההתאמה הטובה ביותר בכושר השבירה עבור Mg3N2 הסרט הוא N1 = 2.4, מקדם הכחדה הוא k1 = 0.09, ושיעור הצמיחה = 0.033 nm/s כפי שמוצג באיור 6b. הירידה הכוללת של השתקפות משתקף עם הזמן באיור 6B הוא האמין נגרמת על ידי עלייה בפיזור החספוס המשטח כמו Mg3N2 סרט דק הופך עבה יותר. השפעת פיזור החספוס היה מדומה על-ידי הכפלת ההשתקפות המחושבת באמצעות מעריכי מעריכית, e-βt, כאשר β = 810-5 s-1 ואת זמן הצמיחה t הוא נמדד בשניות.

עם חשיפה לאוויר, הצהוב מושלגת3N2 סרטים דהויים בתוך דקות לצבע לבן שקוף. מצד שני, Mg3N2 סרטים שהיו מוכתרים עם mgo היו יציבים יחסית. כדי להגן עוד יותר על Mg הכתיר3n2 סרטים מפני חמצון, mg3n2/mgo הטרומבנים היו מצופים עם שכבה2 קפה הופקד על ידי התאיידות הקרן האלקטרונים. Uncapped הכתיר3N2 יציב יותר; עם זאת, השחור הראשון Zn3N2 סרטים גם תחמוצת לאורך זמן והפך אפור בתוך כמה חודשים. תגובת חמצון הוא האמין לערב את היווצרות של מגנזיום הידרוקסיד ולשחרר אמוניה על פי התגובה הכימית הבאה של20. שכבת ZnO הופקד באמצעות שיטה דומה ל MgO יכול לשמש גם כשכבת הגנה כדי למנוע חמצון.

Mg3N2 + 6h2O → 3mg (OH)2 + 2nh3

Figure 1
איור 1 : מבט אל חדר הגידול של הקרן המולקולרי VG V80H. התמונה הזאת מראה את החדר הצמיחה mbe עם (בכיוון השעון) את המסך rheed ומצלמה דיור, ארבעה מנתח שיורית מוט גז, חומרה אופטית על הנמל פיזור אור לייזר, ג ' ל אפוזיה תא, N-פלזמה מקור, rf התאמת תיבת, ואת התאים zn אפוזיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2 : מחזיק המצע וזוהר ממקור פלזמה. (A) מוליבדן לדוגמה צלחת המחזיק עם שני קטעי חוט טונגסטן מחזיק את המצע mgo מרובע במקום. (ב) זוהר סגול מקורו מהחלון האחורי של מקור הפלזמה בעת הפעלה עם N2 גז. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. 

Figure 3
איור 3 : שטף מתכת כפונקציה של טמפרטורה של תא אפוזיה. הקווים מתאימים לתלות בטמפרטורה של הפלוסים המתכת ביחס של ארניוס כפי שמתואר בטקסט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4 : סכמטית של הגדרת פיזור אור לייזר באתרו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5 : תבניות Rheed. (א) בדוגמת מילוי עקיפה למצע mgo. (ב) בתבנית מגדלת של הסרט '3n2 ' עם תצלום של שחור zn3n2 . (ג) התבנית rheed של as-גדל mg3n2 המצע עם תמונה של הצהוב Mg3n2 הסרט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6 : באתרו של השתקפות משתקפות. משתקפים באתרו בשנת 488 nm של (א) zn3n2 ו (ב) Mg3n2 סרטים במהלך הצמיחה. ההשתקפות המחושבת (קו אדום) מתאימה ביותר לנתונים הניסיוניים (עיגולים כחולים) כפי שמתואר בטקסט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מגוון שיקולים מעורב בבחירת מצעים והקמת תנאי הצמיחה הממטב את התכונות המבבניות והאלקטרוניות של הסרטים. מצעים MgO מחוממים בטמפרטורה גבוהה באוויר (1000 ° c) כדי להסיר את זיהום הפחמן מפני השטח ולשפר את הסדר הגבישי במשטח המצע. ניקוי אולטרה סאונד ב אצטון היא שיטה חלופית טובה כדי לנקות את מצעים MgO.

The (400) השיא עקיפה של קרני רנטגן עבור Zn3N2 הסרטים נמצא צר יותר כאשר הסרט גדל בטמפרטורה גבוהה, מצעים mgo לעומת כאשר גדל על מצעים בלתי מאוגלים. קבוע הסריג של MgO (0.421 nm) הוא קטן באופן משמעותי מ (מחצית) קבוע הסריג של Zn3N2 (0.976 nm) או Mg3n2 (0.995 nm) ולא התאימו היטב לסרטים מוליכים למחצה. קבועי הסריג של הקבוצות הזמינות מסחרית IV, III-V, ו-II-VI מצעים הם גדולים יותר מאשר הקבועים של מג3n2 ו-zn3n2. מצע בהתאמה טובה יותר הוא רצוי. סיליקון, אשר יש קבוע סריג של 0.543 ננומטר, הוא קצת יותר טוב בהתאמה Mg3N2 מ mgo והוא שווה לחקור. Zn3N2 סרטים גדלו גם על המטוס הספיר מצעים. האיכות המבנית של הסרטים האלה לא היה טוב כמו זה נראה בתוך מצעים MgO, כפי שמצוין על ידי נקודות RHEED ורוחב של (400) Zn3N2 רנטגן השיא עקיפה. במקרה של מצעים הספיר, הישבן היה מצופה Cr (50 ננומטר) ו Mo (200 nm) כדי לשפר את הצימוד התרמי בין המצע ומצע.

טמפרטורת המצע נמדדת במהלך הצמיחה עם זוג תרמי הממוקם במרחב ואקום סגור בין מחזיק המצע ומחמם, וזה לא במגע פיזי עם בעל המצע או המצע. כתוצאה מכך, זה היה צפוי כי טמפרטורת המצע בפועל יהיה נמוך יותר מאשר טמפרטורת החיישן. מוצלח Mg3n2 ו zn3n2 גידולים הושגו עם טמפרטורות תרמותרמיים ב 300-350 ° c ו 140-180 ° c טווחים, בהתאמה.

טמפ ' הצמיחה הגבוהה מגבירה את הניידות של המודעה-אטומים על פני השטח הגדל ועשויים להיות צפויים לייצר חומר עם פגמים מבניים פחות. עם זאת, בטמפרטורות של מצע גבוה, קצב הצמיחה נמוך יותר, הפורש כתוצאה מאידוי מחדש של אטומי מתכת מפני השטח. בשטף מתכת גבוה, שיעור הצמיחה של הסרט מוגבל על ידי אספקת חנקן פעיל. החנקן הפעיל מוגדל בכוח rf גבוה שהוחל על מקור הפלזמה (300 W max) ובקצב הזרמת חנקן גבוה. שיעור הזרימה N2 מוגבל על ידי הלחץ המקסימלי בחדר הגידול, אשר במקרה זה היה באמצע 10-5 Torr טווח. אמוניה היא מקור. אפשרי לחנקן Mg ו Zn יגיב עם NH3 בטמפרטורה גבוהה ללא הפעלת פלזמה; עם זאת, לא ברור אם זמן המגורים של Mg ו Zn אטומים על פני השטח יהיה ארוך מספיק כדי לתמוך בצמיחה הסרט בטמפרטורות שעבורן NH3 יגיב עם מתכות.

בניסויים אלה, בתאי היתוך שימשו עם בורון הבור פירוליטיק (pbn) מצלבים עם קיבולות של 40 cc עבור mg ו -25 cc עבור zn. איור 3 מראה את התלות בטמפרטורה של mg ו zn פלקסים מן התאים אפוזיה. הקווים הישרים באיור 3 מתאימים לתלות הטמפרטורה הנמדדת של הפלוסים. התאים יש שטף הטופס = exp (-b/kT), ואת הפרמטרים המתאימים (A, B) הם (8.5 x 1017 ננומטר/s, 2.3 eV) ו (1.3 x 10 ננומטר/s, 1.9 eV) עבור מקורות Mg ו zn, בהתאמה. שטף בקירוב לזוגות עם כל 10 ° צ' ו 12 ° c עלייה בטמפרטורת התאים האפויתוך עבור Mg ו Zn, בהתאמה. עבור הצמיחה מומחש באיור 6, פלקסים מתכת היו ליד מקסימה באיור 3 (~ 1 ננומטר/עם השטף Mg גבוה יותר שטף zn) אבל שיעורי הצמיחה הסרט היו רק 0.03 ננומטר/s. זה מראה כי היעילות ניצול מתכת נמוך, עם Mg להיות נמוך יותר Zn ואת רוב המתכת מחדש להתאדות.

לחץ הרקע הגבוה N2 במהלך הצמיחה מונע ניטור רציפה של צמיחת הסרט עם rheed. שאיבה דיפרנציאלית של האקדח RHEED יכול לפתור את הבעיה. מדידות השתקפות אופטית באתרו משמשות ככלי ניטור משלים שאינו מושפע מלחץ הגז ומספק טכניקה מדויקת ואמינה לקביעת קצב הצמיחה. ניתן למדוד את ההשתקפות שאינה משתקפות או מפוזרת של המצע, ותספק מידע על חספוס פני השטח במהלך הצמיחה.

הלחץ הבסיסי בחדר הצמיחה MBE הוא 10-8 Torr עם הגז N2 כבוי. הקריומעטה בחדר הגידול מקורר במים במהלך צמיחת הסרט. בתנאים האלה, ניתן לצפות לשאריות. זיהום חמצן בסרטים ניתן לצמצם את הלחץ השיורי מים בחדר הגידול בטמפרטורה נמוכה יותר מטמפרטורת המעטה, כגון שמן הסיליקון ב-80 ° c21.

לסיכום, פרוטוקול זה מתאר כיצד לגדל סרטי קריסטל בודד של Mg3n2 ו-zn3n2 על-ידי בסיוע באמצעות פלזמה מולקולרית הקרן ומספק הצעות כיצד תהליך הצמיחה ניתן לשנות כדי לשפר עוד את הסרט איכות. חומרים אלה לא הראו פוטולומיניסנציה או טמפרטורת החדר או טמפרטורה נמוכה. יש צורך להקטין עוד יותר את צפיפות הפגמים בסרטים. Mg3n2-zn3n2 סגסוגות ניתן לגדל גם על ידי פלזמה בסיוע מולקולרי הקרן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי מדעי הטבע והמועצה לחקר ההנדסה של קנדה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
(100) MgO University Wafer 214018 one side epi-polished
Acetone Fisher Chemical  170239 99.8%
Argon laser Lexel Laser 00-137-124 488 nm visible wavelength, 350 mW output power
Chopper  Stanford Research system  SR540  Max. Frequency: 3.7 kHz 
Lock-in amplifier  Stanford Research system  37909 DSP SR810, Max. Frequency: 100 kHz 
Magnesium  UMC MG6P5 99.9999%
MBE system VG Semicon V80H0016-2 SHT 1 V80H-10
Methanol  Alfa Aesar L30U027 Semi-grade 99.9%
Nitrogen Praxair 402219501 99.998%
Oxygen  Linde Gas 200-14-00067 > 99.9999%
Plasma source SVT Associates SVTA-RF-4.5PBN PBN, 0.11" Aperture, Specify Length: 12" – 20"
Si photodiode  Newport 2718 818-UV Enhanced, 200 - 1100 nm
Zinc  Alfa Aesar 7440-66-6 99.9999%

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Suda, T., Kakishita, K. Band-gap energy and electron effective mass of polycrystalline Zn3N2. Journal of Applied Physics. 99, (7), 076101.1-076101.3 (2006).
  2. Hu, J., Bando, Y., Zhan, J., Zhi, C., Golberg, D. Carbon nanotubes as nanoreactors for fabrication of single-crystalline Mg3N2 nanowires. Nano Letters. 6, (6), 1136-1140 (2006).
  3. Fang, C. M., Groot, R. A., Bruls, R. J., Hintzen, H. T., With, G. Ab initio band structure calculations of Mg3N2 and MgSiN2. Journal of Physics: Condensed Matter. 11, (25), 4833-4842 (1999).
  4. Yoo, S. H., Walsh, A., Scanlonc, D. O., Soon, A. Electronic structure and band alignment of zinc nitride, Zn3N2. RSC Advances. 4, (7), 3306-3311 (2014).
  5. Partin, D. E., Williams, D. J., O'Keeffe, M. The crystal structures of Mg3N2 and Zn3N2. Journal of Solid-State Chemistry. 132, (1), 56-59 (1997).
  6. Ullah, M., Murtaza, G., Ramay, S. M., Mahmood, A. Structural, electronic, optical and thermoelectric properties of Mg3X2 (X = N, P, As, Sb, Bi) compounds. Materials Research Bulletin. 91, 22-30 (2017).
  7. Li, C. T. Electrocatalytic zinc composites as the efficient counter electrodes of dye-sensitized solar cells: study on the electrochemical performance and density functional theory Calculations. ACS Applied Materials & Interfaces. 7, (51), 28254-28263 (2015).
  8. Sinha, S., Choudhury, D., Rajaraman, G., Sarkar, S. Atomic layer deposition of Zn3N2 thin films: growth mechanism and application in thin film transistor. RSC Advances. 5, (29), 22712-22717 (2015).
  9. Bhattacharyya, S. R., Ayouchi, R., Pinnisch, M., Schwarz, R. Transfer characteristic of zinc nitride based thin film transistors. Physica Status Solidi C. 9, (3-4), 469-472 (2012).
  10. Wu, P., Tiedje, T. Molecular beam epitaxy growth and optical properties of Mg3N2 films. Applied Physics Letters. 113, (8), 082101.1-082101.4 (2018).
  11. Wu, P., et al. Molecular beam epitaxy growth and optical properties of single crystal Zn3N2 films. Semiconductor Science and Technology. 31, (10), 10LT01.1-10LT01.4 (2016).
  12. Jiang, N., Georgiev, D. G., Jayatissa, A. H. The effects of the pressure and the oxygen content of the sputtering gas on the structure and the properties of zinc oxy-nitride thin films deposited by reactive sputtering of zinc. Semiconductor Science and Technology. 28, (2), 025009 (2013).
  13. Nakano, Y., Morikawa, T., Ohwaki, T., Taga, Y. Electrical characterization of p-type N-doped ZnO films prepared by thermal oxidation of sputtered Zn3N2 films. Applied Physics Letters. 88, (17), 172103.1-172103.3 (2006).
  14. Cao, X., Yamaguchi, Y., Ninomiya, Y., Yamada, N. Comparative study of electron transport mechanisms in epitaxial and polycrystalline zinc nitride films. Journal of Applied Physics. 119, (2), 025104.1-025104.10 (2016).
  15. Jia, J., Kamijo, H., Nakamura, S., Shigesato, Y. How the sputtering process influence structural, optical, and electrical properties of Zn3N2 films. MRS Communications. 8, (2), 314-321 (2018).
  16. Trapalis, A., Hefferman, J., Farrer, I., Sherman, J., Kean, A. Structural, electrical and optical characterization of as-grown and oxidized zinc nitride films. Journal of Applied Physics. 120, (20), 205102.1-205102.9 (2016).
  17. Núñez, C. G., et al. On the zinc nitride properties and the unintentional incorporation of oxygen. Thin Solid Films. 520, (6), 1924-1929 (2012).
  18. Oshima, T., Fujita, S. (111)-oriented Zn3N2 growth on a-plane sapphire substrates by molecular beam epitaxy. Japanese Journal of Applied Physics. 45, (111), 8653-8655 (2006).
  19. Heavens, O. S. Optical properties of thin solid films. Butterworth, London. 46-48 (1955).
  20. Heyns, A. H., Prinsloo, L. C., Range, K. J., Stassen, M. The vibrational spectra and decomposition of α-calcium nitride (α-Ca3N2) and magnesium nitride (Mg3N2). Journal of Solid-State Chemistry. 137, 33-41 (1998).
  21. Lewis, R. B., Bahrami-Yekta, V., Patel, M. J., Tiedje, T., Masnadi-Shirazi, M. Closed-cycle cooling of cryopanels in molecular beam epitaxy. Journal of Vacuum Science Technology B. 32, (2), 02C102.1-02C102.7 (2014).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics