Sb2Te3拓扑绝缘体薄膜的MBE制备研究

张 涛, 仇怀利, 王 军, 杜洪洋, 徐 伟, 李中军

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)



Sb2Te3拓扑绝缘体薄膜的MBE制备研究

张 涛, 仇怀利, 王 军, 杜洪洋, 徐 伟, 李中军

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)

文章以高纯Sb和Te为锑源和碲源,使用分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)设备,在超高真空条件下外延生长拓扑绝缘体薄膜。通过XRD(X-ray diffraction)、SEM(scanning electron microscope)等检测手段对薄膜样品进行物像和表面分析,研究了不同衬底温度、束流大小和束流比、生长时间等因素对薄膜质量的影响。

Sb2Te3薄膜;超高真空;分子束外延;拓扑绝缘体;制备

三维拓扑绝缘体作为一种具有特殊表面态的新型量子物质态[1-5],成为近年物理学及材料学领域研究的前沿。拓扑绝缘体材料内部是绝缘体,表面存在着无能隙的、受时间反演对称性保护的金属态。这种表面态由体电子态的拓扑性质决定,不易受到体系中缺陷和杂质的影响,因此电子能有序地通过在拓扑绝缘体的通道,彼此之间没有碰撞,也没有能量耗散。故拓扑绝缘体有望解决半导体器件面临的瓶颈,在基础研究、量子计算机、热电效应和自旋电子器件领域都具有独特的应用价值。

利用分子束外延技术精确可控地生长高质量的拓扑绝缘体薄膜,是研究拓扑绝缘体的新奇量子现象和探索其在自旋电子学和量子计算等应用的重要基础。Sb2Te3、Bi2Te3等材料被理论和试验证实为拓扑绝缘体[6],Sb2Te3薄膜可在蓝宝石衬底上用分子束外延生长得到。

1 试 验

1.1 试验所需材料及设备

试验材料为:锑(Sb,金属颗粒,纯度为99.999%),碲(Te,非金属颗粒,纯度为99.999%),无水乙醇(纯度≥99.7%),丙酮(纯度≥99.5%),去离子水,液氮,高纯氮气(纯度≥99.999%),氦气(纯度≥99.999%),钼基板,蓝宝石衬底。

试验设备为:超纯水机(KNT-I-05),超声清洗器(KQ2200E),真空干燥器(JK-VC-20),工业冷水机组(KANSA ICA-15L),超高真空分子束外延设备(AdNaNotek MBE-9)。

1.2 材料的预处理和样品的制备

本试验中所使用的钼基板要具有较高熔点、高温强度高、高导热率、较低的线膨胀系数、良好的高温机械稳定性等特点,才能在试验过程中不污染系统的情况下给衬底导热。同时,试验中所使用的蓝宝石衬底的晶格类型与晶格常数与所要生长的拓扑绝缘体薄膜的晶格类型与晶格常数偏差不能太大,这样才有利于薄膜的生长。在使用分子束外延技术生长拓扑绝缘体薄膜的过程中,基板与衬底表面的清洁度会影响拓扑绝缘体材料薄膜的质量。因此在进行外延生长薄膜之前,要对钼基板与蓝宝石衬底进行预处理,去除其表面的无机物、有机油脂、灰尘以及微生物等杂质,使其具有较高的清洁度。清洁的具体步骤如下。

(1) 用细砂纸对钼基板进行打磨处理,去除上一次试验时生长到钼基板上的物质。

(2) 将钼基板与蓝宝石衬底分别放入2个洁净的烧杯中,并倒入无水乙醇,在35 ℃的温度下进行超声清洗10 min。

(3) 将钼基板与蓝宝石衬底取出,用去离子水漂洗烧杯后,将其冲洗放入烧杯,并倒入丙酮,在35 ℃的温度下进行超声清洗10 min。

(4) 将用丙酮清洗后的钼基板和蓝宝石衬底从烧杯中取出,用去离子水漂洗烧杯后,将钼基板和蓝宝石衬底重新放入2个烧杯中,加入去离子水在35 ℃的温度下进行超声清洗10 min。

(5) 重复步骤(2)～步骤(4) 2次,然后用去离子水冲洗钼基板和蓝宝石衬底。

(6) 用高纯氮气吹干钼基板和蓝宝石衬底,并将蓝宝石衬底用钼螺丝和高温陶瓷垫片固定在钼基板上,用无尘纸和铝箔纸覆盖后放入真空干燥器内备用。

在薄膜生长之前要对束源炉中的材料除气,即将各束源炉的温度升至炉中材料在超高真空环境下熔点50 ℃以上,并保持60 min。在超高真空条件的不同温度下用束流检测器(beam flux monitor,BFM)对材料Sb、Te测得的束流量见表1所列。

对所用材料进行预处理之后,将载有蓝宝石衬底的钼基板放入真空进样室中磁耦合传样杆的托架上。对真空进样室抽真空,当其真空度与生长室真空度小于2个数量级后,打开真空进样室与生长室之间的闸板阀,将载有蓝宝石衬底的钼基板传入生长室中的旋转生长台上,然后对其进行烘烤除气处理。烘烤除气步骤为:打开液氮阀门,设置烘烤温度为1 100 ℃,升温速率为0.4 ℃/s,时间为70 min,退火速率为0.4 ℃/s(开始退火时调小液氮流量)。退火完成后的衬底可通过反射式高能电子衍射仪RHEED对其表面的平整度、清洁度及表面结构进行监测[7]。分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)设备生长室的示意图如图1所示,在烘烤除气和薄膜生长过程中生长室与外部之间的腔体内通入液氮。

表1 Sb、Te在不同真空度和温度下的束流值

图1 MBE生长室示意图

对衬底进行烘烤除气处理之后便可进行薄膜的生长。首先将Sb、Te束源炉的温度升到各材料所需要的温度(升温速率为0.05 ℃/s);待温度稳定后,分别依次打开各束源炉的挡板,用束流检测器测定各束源炉温度稳定后2种源料的束流大小,并通过调节各束源炉的温度来调节其束流比;待束流大小和束流比稳定后再次打开液氮并调用薄膜生长程序,即修改生长时衬底温度、衬底升温速率、衬底温度稳定时间、生长时间、substrate转速、各束源炉降温速率及最终温度值、衬底降温速率等参数,确认无误后,运行程序;程序运行开始后待衬底达到所设温度且运行完稳定时间后,衬底下方挡板会自动打开,此时外延薄膜生长开始。

在薄膜生长的过程中可利用反射式高能电子衍射仪对薄膜的生长进行实时监测。待样品生长完成后,程序会控制样品冷却降温,降温后即可把样品由MBE生长室通过磁耦合传样杆传入至真空进样室,然后可对真空进样室进行破真空，将外延生长后的薄膜样品取出进行下一步的表征测试。使用MBE设备在超高真空条件下生长的薄膜样品实物图和其相应的RHEED图如图2所示。

图2 薄膜样品实物图及RHEED图

2 样品表征

利用MBE生长出的薄膜,使用RHEED对其进行初步检测只能表征出其表面的平整度、清洁度,而不能确定所生长的薄膜是否为Sb2Te3拓扑绝缘体薄膜,此时要用其他测试仪器对所生长的薄膜样品进行测试。如果测试结果证明所生长的样品不是Sb2Te3拓扑绝缘体薄膜,在接下来的试验中则可根据测试结果改变生长条件进行薄膜的生长。

在试验中对所生长薄膜样品的表征方法是利用X射线衍射仪(日本 D/MAX2500V)、场发射扫描电子显微镜(日立SU8020)对薄膜样品的表面形貌和结构进行分析。

3 结果与讨论

在使用MBE设备进行薄膜生长时,生长室真空度、衬底温度、生长时间、束流大小以及束流比等因素是决定及影响薄膜质量的主要因素,当使用超高真空分子束外延设备生长Sb2Te3拓扑绝缘体薄膜时要满足TTe

从使用MBE生长出的薄膜样品中选取样品A、B、C,利用X射线衍射仪对其分析的图像分别为a、b、c，如图3所示。从图3可以看出，在其他条件相同而只改变蓝宝石衬底的温度时,XRD(X-ray diffraction)图中波峰尖锐程度与标准比对卡有较大的偏差。虽然生长完成后的样品中有Sb2Te3存在,但是同时还含有单质和Sb、Te。同时,从这3个样品的XRD图中可以看出，当温度为360 ℃和370 ℃时,Sb2Te3的波峰强度比300 ℃时有较明显的提高。因此在后来薄膜生长时,可尝试再次提高衬底温度。

表2 样品的生长条件

样品D、E、F的SEM(scanning electron microscope)图如图4所示,各样品的生长条件见表2所列。由于测试时没有对样品进行喷金处理,致使样品表面导电性不佳,当放大倍率增大时,图像会产生漂移。样品D和E的生长条件只有束流比不同,从图4可以看出，样品D薄膜出现岛状生长,而样品E表面比样品D要光滑。3个样品中,样品F的表面最为光滑。由生长条件可知,在后期的薄膜生长中基本可以将生长温度稳定在400℃左右。

样品E、F的EDS能谱图如图5所示。

图4 样品D、E、F的SEM图

图5 样品E、F的EDS图

图5中给出了薄膜样品中Sb、Te的原子百分比,通过样品EDS能谱图中各元素原子百分比和所生长薄膜时的束流大小和束流比可以了解样品中的元素含量,从而在后期试验中有目的地调节束流大小或束流比来生长Sb2Te3拓扑绝缘体薄膜。

4 结 论

本文试验中使用超高真空分子束外延设备,通过控制生长条件在蓝宝石衬底上进行Sb2Te3拓扑绝缘体薄膜的生长,并通过对所生长的部分薄膜样品的表征进一步优化生长条件及生长工艺。通过控制衬底温度、生长时间、束流大小、束流比等因素生长出高质量的Sb2Te3拓扑绝缘体薄膜。

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[3] MOORE J E.The birth of topological insulators[J].Nature,2010,464(7286):194-198.

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[6] ZHANG H J,LIU C X,QI X L,et al.Topological insulators in Bi2Se3,Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface[J].Nature Physics,2009,5(6):438-442.

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(责任编辑 胡亚敏)

Preparation of Sb2Te3topological insulator film by MBE

ZHANG Tao, QIU Huaili, WANG Jun， DU Hongyang, XU Wei, LI Zhongjun

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Using high pure antimony and tellurium, topological insulator Sb2Te3thin films grew under ultrahigh vacuum condition by using molecular beam epitaxy(MBE) facilities. The images and surface of the thin film sample were analyzed by the methods of X-ray diffraction(XRD), field emission scanning electron microscope(SEM) and so on. The effect of different substrate temperatures, beam flux and beam flux ratios, growth time on the quality of the films is explored.

Sb2Te3thin film; ultrahigh vacuum; molecular beam epitaxy(MBE); topological insulator; preparation

2015-04-15；

2015-05-15

国家自然科学基金资助项目(21503061)；中央高校基本科研业务费资助项目(JZ2015-HGXJ0184)

张 涛(1992-),男,安徽亳州人,合肥工业大学硕士生;

仇怀利(1977-),男,山东聊城人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.013

O484.1

A

1003-5060(2016)09-1216-04