高浓度臭氧发生器用于金属氧化物薄膜 MBE 生长研究

一、背景

分子束外延（MBE）技术是一种用于生长高质量半导体、金属和金属氧化物薄膜的先进方法。在金属氧化物薄膜的 MBE 生长过程中，氧源的质量和供应方式对薄膜的质量和性能有着至关重要的影响。传统的氧源往往难以提供足够高浓度和活性的氧，从而限制了金属氧化物薄膜的生长质量和性能。高浓度臭氧发生器作为一种新型的氧源，能够产生高浓度的臭氧，为金属氧化物薄膜的 MBE 生长提供了新的可能性。

二、目标

本项目旨在研究高浓度臭氧发生器在金属氧化物薄膜 MBE 生长中的应用可行性，通过实验验证高浓度臭氧作为氧源对金属氧化物薄膜生长质量和性能的影响，为开发高质量的金属氧化物薄膜提供技术支持。

三、技术原理

（一）高浓度臭氧发生器原理

高浓度臭氧发生器通常采用电晕放电方法，将氧气分子（O₂）分解为氧原子（O），然后氧原子与氧气分子结合形成臭氧分子（O₃）。其反应方程式如下：

O₂ → 2O

O + O₂ → O₃

（二）MBE 生长原理

MBE 是一种在超高真空环境下，将蒸发源产生的原子或分子束直接喷射到加热的衬底表面，通过原子或分子的吸附、迁移和反应，在衬底表面逐层生长薄膜的技术。在金属氧化物薄膜的 MBE 生长过程中，金属原子束和氧源同时喷射到衬底表面，金属原子与氧原子发生化学反应，形成金属氧化物薄膜。

（三）高浓度臭氧在 MBE 生长中的作用

高浓度臭氧具有较高的活性和氧化能力，能够在较低的温度下与金属原子发生反应，促进金属氧化物薄膜的生长。同时，臭氧分解产生的氧原子具有较高的能量，能够提高薄膜的结晶质量和表面平整度。

四、实验方案

（一）实验设备

高浓度臭氧发生器：能够产生浓度不低于100mg/L的臭氧气体（3S-T10或Apex H32高浓度臭氧发生器）。

MBE 系统：具备超高真空环境、多个蒸发源和衬底加热装置。

薄膜表征设备：如 X 射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）等，用于对生长的金属氧化物薄膜进行结构、形貌和成分分析。

（二）实验材料

衬底材料：选择合适的单晶衬底，如硅（Si）、蓝宝石（Al₂O₃）等。

金属源材料：根据需要生长的金属氧化物薄膜种类，选择相应的金属源，如钛（Ti）、锌（Zn）、铟（In）等。

氧气：纯度不低于 99.99%，作为臭氧发生器的原料气体。

（三）实验步骤

衬底准备：将衬底材料进行清洗和预处理，去除表面的杂质和氧化层，然后放入 MBE 系统的样品室中。

系统抽真空：将 MBE 系统抽至超高真空环境，确保系统的本底真空度达到 [X] Pa 以下。

臭氧发生器调试：开启高浓度臭氧发生器，调节臭氧产生浓度和流量，使其达到实验要求。

薄膜生长：同时开启金属蒸发源和臭氧发生器，使金属原子束和臭氧气体同时喷射到衬底表面，控制生长参数，如衬底温度、金属原子束流强度、臭氧流量等，生长金属氧化物薄膜。

薄膜表征：生长完成后，将样品从 MBE 系统中取出，使用薄膜表征设备对生长的金属氧化物薄膜进行结构、形貌和成分分析。

（四）实验参数优化

通过改变实验参数，如衬底温度、金属原子束流强度、臭氧流量、臭氧浓度等，研究不同参数对金属氧化物薄膜生长质量和性能的影响，优化实验参数，以获得高质量的金属氧化物薄膜。

（五）结论

高浓度臭氧发生器用于金属氧化物薄膜的 MBE 生长具有一定的可行性。通过本项目的研究，有望开发出一种新型的氧源供应方式，提高金属氧化物薄膜的生长质量和性能，为金属氧化物薄膜在电子、光学等领域的应用提供技术支持。同时，本项目的研究成果也将为相关领域的研究提供新的思路和方法。