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 高濃度臭氧發(fā)生器用于金屬氧化物薄膜 MBE 生長(zhǎng)研究

一、背景

分子束外延（MBE）技術(shù)是一種用于生長(zhǎng)高質(zhì)量半導(dǎo)體、金屬和金屬氧化物薄膜的先進(jìn)方法。在金屬氧化物薄膜的 MBE 生長(zhǎng)過程中，氧源的質(zhì)量和供應(yīng)方式對(duì)薄膜的質(zhì)量和性能有著至關(guān)重要的影響。傳統(tǒng)的氧源往往難以提供足夠高濃度和活性的氧，從而限制了金屬氧化物薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量和性能。高濃度臭氧發(fā)生器作為一種新型的氧源，能夠產(chǎn)生高濃度的臭氧，為金屬氧化物薄膜的 MBE 生長(zhǎng)提供了新的可能性。

二、目標(biāo)

本項(xiàng)目旨在研究高濃度臭氧發(fā)生器在金屬氧化物薄膜 MBE 生長(zhǎng)中的應(yīng)用可行性，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證高濃度臭氧作為氧源對(duì)金屬氧化物薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量和性能的影響，為開發(fā)高質(zhì)量的金屬氧化物薄膜提供技術(shù)支持。

三、技術(shù)原理

（一）高濃度臭氧發(fā)生器原理

高濃度臭氧發(fā)生器通常采用電暈放電方法，將氧氣分子（O?）分解為氧原子（O），然后氧原子與氧氣分子結(jié)合形成臭氧分子（O?）。其反應(yīng)方程式如下：

O? → 2O

O + O? → O?

（二）MBE 生長(zhǎng)原理

MBE 是一種在超高真空環(huán)境下，將蒸發(fā)源產(chǎn)生的原子或分子束直接噴射到加熱的襯底表面，通過原子或分子的吸附、遷移和反應(yīng)，在襯底表面逐層生長(zhǎng)薄膜的技術(shù)。在金屬氧化物薄膜的 MBE 生長(zhǎng)過程中，金屬原子束和氧源同時(shí)噴射到襯底表面，金屬原子與氧原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成金屬氧化物薄膜。

（三）高濃度臭氧在 MBE 生長(zhǎng)中的作用

高濃度臭氧具有較高的活性和氧化能力，能夠在較低的溫度下與金屬原子發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)金屬氧化物薄膜的生長(zhǎng)。同時(shí)，臭氧分解產(chǎn)生的氧原子具有較高的能量，能夠提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和表面平整度。

四、實(shí)驗(yàn)方案

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

高濃度臭氧發(fā)生器：能夠產(chǎn)生濃度不低于100mg/L的臭氧氣體（3S-T10或Apex H32高濃度臭氧發(fā)生器）。

MBE 系統(tǒng)：具備超高真空環(huán)境、多個(gè)蒸發(fā)源和襯底加熱裝置。

薄膜表征設(shè)備：如 X 射線衍射儀（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）等，用于對(duì)生長(zhǎng)的金屬氧化物薄膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形貌和成分分析。

（二）實(shí)驗(yàn)材料

襯底材料：選擇合適的單晶襯底，如硅（Si）、藍(lán)寶石（Al?O?）等。

金屬源材料：根據(jù)需要生長(zhǎng)的金屬氧化物薄膜種類，選擇相應(yīng)的金屬源，如鈦（Ti）、鋅（Zn）、銦（In）等。

氧氣：純度不低于 99.99%，作為臭氧發(fā)生器的原料氣體。

（三）實(shí)驗(yàn)步驟

襯底準(zhǔn)備：將襯底材料進(jìn)行清洗和預(yù)處理，去除表面的雜質(zhì)和氧化層，然后放入 MBE 系統(tǒng)的樣品室中。

系統(tǒng)抽真空：將 MBE 系統(tǒng)抽至超高真空環(huán)境，確保系統(tǒng)的本底真空度達(dá)到 [X] Pa 以下。

臭氧發(fā)生器調(diào)試：開啟高濃度臭氧發(fā)生器，調(diào)節(jié)臭氧產(chǎn)生濃度和流量，使其達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

薄膜生長(zhǎng)：同時(shí)開啟金屬蒸發(fā)源和臭氧發(fā)生器，使金屬原子束和臭氧氣體同時(shí)噴射到襯底表面，控制生長(zhǎng)參數(shù)，如襯底溫度、金屬原子束流強(qiáng)度、臭氧流量等，生長(zhǎng)金屬氧化物薄膜。

薄膜表征：生長(zhǎng)完成后，將樣品從 MBE 系統(tǒng)中取出，使用薄膜表征設(shè)備對(duì)生長(zhǎng)的金屬氧化物薄膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形貌和成分分析。

（四）實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化

通過改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如襯底溫度、金屬原子束流強(qiáng)度、臭氧流量、臭氧濃度等，研究不同參數(shù)對(duì)金屬氧化物薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量和性能的影響，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的金屬氧化物薄膜。

（五）結(jié)論

高濃度臭氧發(fā)生器用于金屬氧化物薄膜的 MBE 生長(zhǎng)具有一定的可行性。通過本項(xiàng)目的研究，有望開發(fā)出一種新型的氧源供應(yīng)方式，提高金屬氧化物薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量和性能，為金屬氧化物薄膜在電子、光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持。同時(shí)，本項(xiàng)目的研究成果也將為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供新的思路和方法。