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 高濃度臭氧發(fā)生器用于金屬氧化物薄膜 MBE 生長研究

一、背景

分子束外延（MBE）技術是一種用于生長高質量半導體、金屬和金屬氧化物薄膜的先進方法。在金屬氧化物薄膜的 MBE 生長過程中，氧源的質量和供應方式對薄膜的質量和性能有著至關重要的影響。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質量和性能。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 生長提供了新的可能性。

二、目標

本項目旨在研究高濃度臭氧發(fā)生器在金屬氧化物薄膜 MBE 生長中的應用可行性，通過實驗驗證高濃度臭氧作為氧源對金屬氧化物薄膜生長質量和性能的影響，為開發(fā)高質量的金屬氧化物薄膜提供技術支持。

三、技術原理

（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合形成臭氧分子（O?）。其反應方程式如下：

O? → 2O

O + O? → O?

（二）MBE 生長原理

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，在襯底表面逐層生長薄膜的技術。在金屬氧化物薄膜的 MBE 生長過程中，金屬原子束和氧源同時噴射到襯底表面，金屬原子與氧原子發(fā)生化學反應，形成金屬氧化物薄膜。

（三）高濃度臭氧在 MBE 生長中的作用

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，促進金屬氧化物薄膜的生長。同時，臭氧分解產(chǎn)生的氧原子具有較高的能量，能夠提高薄膜的結晶質量和表面平整度。

四、實驗方案

（一）實驗設備

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、多個蒸發(fā)源和襯底加熱裝置。

薄膜表征設備：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，用于對生長的金屬氧化物薄膜進行結構、形貌和成分分析。

（二）實驗材料

襯底材料：選擇合適的單晶襯底，如硅（Si）、藍寶石（Al?O?）等。

金屬源材料：根據(jù)需要生長的金屬氧化物薄膜種類，選擇相應的金屬源，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）實驗步驟

襯底準備：將襯底材料進行清洗和預處理，去除表面的雜質和氧化層，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)的本底真空度達到 [X] Pa 以下。

臭氧發(fā)生器調試：開啟高濃度臭氧發(fā)生器，調節(jié)臭氧產(chǎn)生濃度和流量，使其達到實驗要求。

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

薄膜表征：生長完成后，將樣品從 MBE 系統(tǒng)中取出，使用薄膜表征設備對生長的金屬氧化物薄膜進行結構、形貌和成分分析。

（四）實驗參數(shù)優(yōu)化

通過改變實驗參數(shù)，如襯底溫度、金屬原子束流強度、臭氧流量、臭氧濃度等，研究不同參數(shù)對金屬氧化物薄膜生長質量和性能的影響，優(yōu)化實驗參數(shù)，以獲得高質量的金屬氧化物薄膜。

（五）結論

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