臭氧在先进功能薄膜制备中的关键作用与应用实践

臭氧在先进功能薄膜制备中的关键作用与应用实践

在多铁性材料与自旋电子学的研究前沿，高质量氧化物薄膜的制备是实现器件功能的基石。在论文《利用设计的自旋织构-晶格控制反铁磁体中的各向异性磁子输运》中，研究团队成功制备了用于低功耗磁子器件的BiFeO₃和SrIrO₃等关键薄膜材料。其中，臭氧作为一种高效的活性氧源，在薄膜生长过程中扮演了不可或缺的角色，直接决定了薄膜的结晶质量与物理性能。

一、 臭氧的核心作用：超越传统氧气

在高温薄膜沉积过程中，确保金属前驱体被充分氧化并形成正确的晶体结构至关重要。与传统氧气相比，臭氧具有显著优势：

1.  高反应活性：臭氧在分解时能提供原子氧，其氧化能力远强于分子氧。这使得它能在相对较低的衬底温度下，有效促进金属原子的氧化，形成化学计量比精准的氧化物。

2.  改善结晶质量：活性原子氧有助于前驱体在衬底表面的迁移和有序排列，从而生成结晶性更好、缺陷密度更低的外延薄膜。

3.  抑制氧空位：氧空位是氧化物薄膜中常见的缺陷，会严重影响其电学、磁学和输运性能。充足的活性氧供应能很大限度地减少氧空位的形成，保证薄膜的本征特性。

在该研究中，正是凭借臭氧提供的“富氧环境”，才得以制备出具有长程周期磁畴结构的高质量BiFeO₃薄膜，为观测到各向异性的磁子输运现象奠定了基础。

二、 实践应用：臭氧在具体工艺中的实施

利用臭氧制备两类关键功能薄膜的工艺：

1. BiFeO₃多铁性薄膜的分子束外延生长

- 气氛配比：80% 臭氧（经蒸馏纯化） + 20% 氧气。

- 生长温度：675 °C。

- 系统压力：5 × 10⁻⁶ Torr（高真空环境）。

- 前驱体：铋和铁的 elemental sources。

- 效果：该工艺成功获得了具有优异晶体质量和明确磁畴结构的BFO薄膜，为其后研究磁各向异性提供了理想样品。

2. SrIrO₃自旋轨道耦合氧化物薄膜的分子束外延生长

- 气氛配比：80% 臭氧 + 20% 氧气。

- 生长温度：695 °C。

- 系统压力：1 × 10⁻⁶ Torr。

- 前驱体特殊性：由于铱的熔点极高，采用电子束蒸发源进行蒸发。

- 效果：制备的SrIrO₃薄膜具有巨大的自旋霍尔角，被用作自旋注入与探测电极，成功观测到非局域磁子输运信号。

三、 关键设备与操作要点

要实现臭氧在薄膜制备中的成功应用，需要一套精密的设备体系和支持工艺：

核心设备

- 分子束外延系统：如论文中使用MBE系统，提供超高真空的生长环境。

- 高纯度臭氧发生器与纯化系统：确保提供稳定、无污染的臭氧气体流。论文特别强调了使用蒸馏纯化的臭氧，以去除可能影响薄膜纯度的杂质。

- 电子束蒸发源：用于蒸发如铱之类的高熔点金属。

操作要点

- 精确控制气氛比例：臭氧与氧气的比例需要根据目标材料进行优化，并非越高越好。

- 维持稳定的压力与温度：高温与高真空的结合是保证外延生长和臭氧有效分解的关键。

- 原位实时监控：配合反射高能电子衍射等技术，实时监测薄膜的生长模式与表面形貌，及时调整工艺参数。

四、 总结与展望

在追求下一代低功耗电子器件的道路上，对复杂氧化物薄膜质量的要求日益严苛。本研究清晰地表明，臭氧辅助的分子束外延技术已成为制备高性能多铁性、强自旋轨道耦合材料的关键使能技术。它通过提供高活性氧环境，确保了薄膜优异的结晶性、精准的化学计量和理想的功能特性，为在室温下实现电场调控的磁子晶体和自旋输运研究提供了可能。

未来，随着对薄膜界面、缺陷控制要求的进一步提升，臭氧以及其他更高效的活性氧源（如等离子体氧）的应用工艺将继续深化，推动先进电子材料从实验室走向产业化应用。