分子束外延技术制备(00l)择优取向低熔点铋薄膜的方法

技术领域

本发明属于薄膜制备技术领域，具体涉及分子束外延技术制备低熔点金属铋薄膜的方法。

背景技术

半金属铋（Bi）具有独特的物理性质，载流子密度约为3×10

制备铋薄膜有分子束外延、闪蒸、电子束蒸发、磁控溅射和脉冲激光沉积等很多方法，其中分子束外延是目前制备铋薄膜质量和表面平整较好的一种方法。半金属材料的性能取决于晶体的形状和结构，在沉积过程中，衬底温度、生长速率和沉积时间是影响薄膜质量的基本参数，决定薄膜的生长模式、表面形貌和织构等。但是对低熔点铋薄膜分子束外延技术制备的生长区域的研究很少，低熔点铋薄膜的结构区域模型有待进一步研究。因此，利用分子束外延技术制备择优取向铋薄膜就更具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有低熔点铋薄膜择优取向生长可控问题，提供一种利用分子外延技术制备低熔点择优取向铋薄膜的方法。

本发明提供一种利用分子束外延技术制备低熔点择优取向铋薄膜的方法：

1)将衬底传送到分子束外延系统的生长室；

2) 生长室压强小于5.0×10

3)通过调节铋束源炉温度和衬底温度控制铋薄膜沉积速率；

4) 将铋束源炉温度调整至450-600℃之间，衬底温度调整至18-150℃；

5)打开铋束源炉和衬底快门挡板，使铋束流喷射到被加热的衬底上；

6) 铋薄膜持续生长0.5-48小时后，关闭铋束源炉和衬底快门挡板，降低铋束源炉和衬底温度至室温，得到择优取向铋薄膜。

所述衬底为玻璃、氧化镁单晶、钛酸锶单晶、铝酸镧单晶、三氧化二铝单晶和氟化钡单晶。

所述步骤4)铋束源炉温度为450-600℃。

所述步骤4)衬底温度为18-150℃。

所述步骤6)薄膜生长时间为0.5-48小时。

所述的铋束源使用高纯度材料金属铋。

本方法具有的有点和有益效果是：

本发明提供一种分子束外延技术制备低熔点择优取向铋薄膜的方法，该方法是将金属铋加热到一定饱和蒸汽压下，铋束源在分子平均自由程内喷射到加热的衬底形成铋薄膜，在区间范围可调控生长。

本发明通过择优取向铋薄膜的制备，铋薄膜具有重复性好，平整性好，低表面粗糙度，大磁阻效应，强疏水性等有点。

附图说明

图1为实例1和实例2所制备的铋薄膜XRD图谱；

图2为实例1所制备铋薄膜的AFM图像；

图3为实例1所制备铋薄膜的RT曲线；

图4为实例1所制备铋薄膜MR曲线；

图5为实例1所制备铋薄膜接触角照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不局限于实施例表述的范围：

实施例1

1)使用玻璃衬底作为制备铋薄膜的衬底，放到处置室传送到分子束外延系统的生长室；

2) 生长室压强小于5.0×10

3)将铋束源炉温度调至560℃和衬底温度调至70℃；

4) 打开铋束源炉和衬底快门挡板，使铋束流喷射到被加热的衬底上，沉积3小时；

5)开启反射高能电子衍射仪观察薄膜衍射条纹，条纹清晰且锐利表示生长铋薄膜质量良好表面平整；

6)关闭铋束源炉和衬底快门挡板，降低铋束源炉和衬底温度至室温，得到薄膜样品；

7) 取出铋薄膜样品，进行物相、电学和润湿性测试，结果表明：获得(00

实施例2

1)使用氧化镁衬底作为制备铋薄膜的衬底，放到处置室传送到分子束外延系统的生长室；

2) 生长室压强小于5.0×10

3)将铋束源炉温度调至560℃和衬底温度调至70℃；

4) 打开铋束源炉和衬底快门挡板，使铋束流喷射到被加热的衬底上，沉积3小时；

5)开启反射高能电子衍射仪观察薄膜衍射条纹，条纹清晰且锐利表示生长铋薄膜质量良好表面平整；

6) 关闭铋束源炉和衬底快门挡板，降低铋束源炉和衬底温度至室温，得到薄膜样品；

7) 取出铋薄膜样品，进行物相、电学和润湿性测试，结果表明：获得(00

实施例3

1)使用锶钛氧衬底作为制备铋薄膜的衬底，放到处置室传送到分子束外延系统的生长室；

2) 生长室压强小于5.0×10

3)将铋束源炉温度调至490℃和衬底温度调至30℃；

4) 打开铋束源炉和衬底快门挡板，使铋束流喷射到被加热的衬底上，沉积3小时；

5)开启反射高能电子衍射仪观察薄膜衍射条纹，条纹清晰且锐利表示生长铋薄膜质量良好表面平整；

6) 关闭铋束源炉和衬底快门挡板，降低铋束源炉和衬底温度至室温，得到薄膜样品；

7) 取出铋薄膜样品，进行物相、电学和润湿性测试，结果表明：获得(00

实施例4

1)使用铝酸镧衬底作为制备铋薄膜的衬底，放到处置室传送到分子束外延系统的生长室；

2) 生长室压强小于5.0×10

3)将铋束源炉温度调至520℃和衬底温度调至100℃；

4) 打开铋束源炉和衬底快门挡板，使铋束流喷射到被加热的衬底上，沉积3小时；

5)开启反射高能电子衍射仪观察薄膜衍射条纹，条纹清晰且锐利表示生长铋薄膜质量良好表面平整；

6) 关闭铋束源炉和衬底快门挡板，降低铋束源炉和衬底温度至室温，得到薄膜样品；

7) 取出铋薄膜样品，进行物相、电学和润湿性测试，结果表明：获得(00

实施例5

1)使用三氧化二铝衬底作为制备铋薄膜的衬底，放到处置室传送到分子束外延系统的生长室；

2) 生长室压强小于5.0×10

3)将铋束源炉温度调至510℃和衬底温度调至120℃；

4) 打开铋束源炉和衬底快门挡板，使铋束流喷射到被加热的衬底上，沉积3小时；

5)开启反射高能电子衍射仪观察薄膜衍射条纹，条纹清晰且锐利表示生长铋薄膜质量良好表面平整；

6) 关闭铋束源炉和衬底快门挡板，降低铋束源炉和衬底温度至室温，得到薄膜样品；

7) 取出铋薄膜样品，进行物相、电学和润湿性测试，结果表明：获得(00

实施例6

1)使用氟化钡衬底作为制备铋薄膜的衬底，放到处置室传送到分子束外延系统的生长室；

2) 生长室压强小于5.0×10

3)将铋束源炉温度调至570℃和衬底温度调至90℃；

4) 打开铋束源炉和衬底快门挡板，使铋束流喷射到被加热的衬底上，沉积3小时；

5)开启反射高能电子衍射仪观察薄膜衍射条纹，条纹清晰且锐利表示生长铋薄膜质量良好表面平整；

6) 关闭铋束源炉和衬底快门挡板，降低铋束源炉和衬底温度至室温，得到薄膜样品；

7) 取出铋薄膜样品，进行物相、电学和润湿性测试，结果表明：获得(00

图1为实施例1和2生长在玻璃和氧化镁衬底上的铋薄膜的XRD图谱，图谱中只存在强而尖锐铋(00

图2为实施例1生长在玻璃衬底上的铋薄膜的AFM图像，图像显示铋薄膜结构连续，具有平坦光滑的表面，其均方根表面粗糙度为1.96nm。

图3为实施例1生长在玻璃上的铋薄膜的RT曲线，铋薄膜的电阻在54K-300K区间展现出良好的半导体特性，表明此时薄膜的电阻温度关系呈半导体态特性。随温度的进一步降低，薄膜电阻温度关系呈金属态特性，表现为半导体态向金属态的转变。转变过程展现出较高的转变温度。薄膜的转变温度为54K。

图4为实施例1生长在玻璃上的铋薄膜的MR曲线，曲线显示铋薄膜随着磁场的增加呈线性磁阻，在温度T=300K，磁场B=9T下，具有21%大的磁阻效应。

图5为实施例1生长在玻璃上的铋薄膜的接触角照片，铋薄膜的接触角具有112°，表明铋薄膜强的疏水性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。