臭氧源在 MBE 生长中的应用场景及原理

臭氧源在 MBE 生长中的应用场景及原理

在分子束外延 (MBE) 技术中，臭氧作为一种高效的氧化剂，已被广泛应用于各种高质量氧化物薄膜的制备。与传统的氧气或氧气等离子体相比，臭氧具有更强的氧化能力和更高的反应活性，能够在较低温度下实现高质量的氧化过程。

1 应用场景

臭氧源在 MBE 生长中的主要应用场景包括：

高质量半导体氧化物薄膜制备：如 ZnO、Ga₂O₃、In₂O₃等半导体氧化物薄膜的制备，臭氧作为氧化剂可提高薄膜的结晶度和电学性能。

超导薄膜制备：如 YBa₂Cu₃O₇、Bi₂Sr₂CaCu₂O₈等高温超导薄膜的制备，臭氧辅助 MBE 可精确控制氧含量和薄膜结构，提高超导性能。

铁电和多铁薄膜制备：如 BaTiO₃、Pb (Zr,Ti) O₃、BiFeO₃等铁电和多铁薄膜的制备，臭氧可促进薄膜的结晶和取向，改善其铁电、压电和磁性性能。

复杂氧化物异质结构制备：如氧化物超晶格、量子阱等复杂异质结构的制备，臭氧辅助 MBE 可精确控制各层的组成和结构，实现优异的界面质量和材料性能。

功能氧化物纳米结构制备：如纳米线、纳米管、纳米岛等功能氧化物纳米结构的制备，臭氧可调控纳米结构的生长方向和形态，改善其性能。

2 应用原理

在分子束外延 (MBE) 技术中，臭氧作为氧化剂的应用原理主要涉及以下几个方面：

分子束产生与传输：MBE 系统中，金属原子或分子束通过蒸发源 (如克努森池或电子束蒸发器) 产生，并在超高真空环境中传输到基底表面。

臭氧分解与活性氧生成：臭氧分子在高温基底表面或通过专门设计的分解装置分解，产生活性氧物种 (如原子氧和羟基自由基)。这些活性氧物种具有很高的反应活性，能够与金属原子迅速反应，形成金属氧化物。

表面反应与薄膜生长：金属原子束与活性氧物种在基底表面相遇，发生氧化反应，形成金属氧化物，并逐步生长成薄膜。在这一过程中，臭氧提供的活性氧物种有助于促进薄膜的生长和结晶。

原位监测与控制：MBE 系统通常配备多种原位监测设备 (如反射高能电子衍射 (RHEED)、质谱仪等)，用于实时监测薄膜生长过程和质量，确保高质量薄膜的制备。

臭氧在 MBE 中的应用原理与传统的氧气或氧气等离子体相比，主要区别在于臭氧能够提供更高浓度的活性氧物种，从而增强氧化反应的效率和速率。在 MBE 过程中，虽然系统处于超高真空环境，但通过专门设计的臭氧引入系统，可以精确控制臭氧的流量和分解程度，确保活性氧物种的有效生成和利用。

臭氧辅助 MBE 的优势主要体现在以下几个方面：

精确的生长控制：MBE 技术本身具有原子级别的生长控制能力，结合臭氧提供的高效氧化环境，可以精确控制氧化物薄膜的组成和结构。

高质量薄膜制备：臭氧提供的活性氧物种能够促进薄膜的结晶和取向，减少缺陷和非化学计量比问题，制备高质量的氧化物薄膜。

低温生长能力：臭氧的高反应活性允许在较低的基底温度下实现高质量的氧化物薄膜生长，有利于热敏感材料的制备和减少界面反应。

广泛的材料适用性：臭氧辅助 MBE 可以制备各种类型的氧化物材料，包括一些传统方法难以制备的复杂氧化物。

在一项研究中，研究人员使用臭氧辅助分子束外延 (MBE) 在多种衬底上生长了 La₃Ni₂O₇薄膜，包括 LAO (100)、NGO (110) 和 STO (001)。这些薄膜随后在 MTI Corporation 的 OTF-1200X-S 真空管式炉中，在 1 atm O₂压力下，500℃退火 3 小时。研究发现，与传统的氧气相比，臭氧作为氧化剂可以显著提高 La₃Ni₂O₇薄膜的结晶度和超导性能。