Name: plasma-assisted molecular beam epitaxy growth of mg3n2 and zn3n2 thin films
Uploaded: 2019-05-11T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg3N2 and Zn3N2 Thin Films at JoVE.com

Dit werk werd gesteund door de natuurwetenschappen en ingenieurs Onderzoekraad van Canada.

1. MgO substraat voorbereiding
Opmerking: commerciële one-side epi-gepolijst (100) georiënteerde single Crystal MgO vierkante substraten (1 cm x 1 cm) werden gebruikt voor de X3N2 (x = Zn en mg) dunne film groei.
<ol><li>Hoge temperatuur gloeien<ol>
<li>Plaats de MgO op een schone saffier wafer monster drager met de gepolijste zijde naar boven in een oven en anneal voor 9 uur bij 1.000 °C. Verhoog de temperatuur tot 1000 °C gedurende een periode van 10 minuten....

<ol>
	<li>Suda, T., Kakishita, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Band-gap+energy+and+electron+effective+mass+of+polycrystalline+Zn3N2.">Band-gap energy and electron effective mass of polycrystalline Zn3N2.</a> Journal of Applied Physics. 99 (7), 076101.1-076101.3 (2006).</li><li>Hu, J., Bando, Y., Zhan, J., Zhi, C., Golberg, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+nanotubes+as+nanoreactors+for+fabrication+of+single-crystalline+Mg3N2+nanowires.">Carbon nanotubes as nanoreactors for fabrication of single-crystalline Mg3N2 nanowires.</a> Nano Letters. 6 (6), 1136-1140 (2006).</li><li>Fang, C. M., Groot, R. A., Bruls, R. J., Hintzen, H. T., With, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ab+initio+band+structure+calculations+of+Mg3N2+and+MgSiN2.">Ab initio band structure calculations of Mg3N2 and MgSiN2.</a> Journal of Physics: Condensed Matter. 11 (25), 4833-4842 (1999).</li><li>Yoo, S. H., Walsh, A., Scanlonc, D. O., Soon, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electronic+structure+and+band+alignment+of+zinc+nitride,+Zn3N2.">Electronic structure and band alignment of zinc nitride, Zn3N2.</a> RSC Advances. 4 (7), 3306-3311 (2014).</li><li>Partin, D. E., Williams, D. J., O'Keeffe, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+crystal+structures+of+Mg3N2+and+Zn3N2.">The crystal structures of Mg3N2 and Zn3N2.</a> Journal of Solid-State Chemistry. 132 (1), 56-59 (1997).</li><li>Ullah, M., Murtaza, G., Ramay, S. M., Mahmood, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural,+electronic,+optical+and+thermoelectric+properties+of+Mg3X2+(X+=+N,+P,+As,+Sb,+Bi)+compounds.">Structural, electronic, optical and thermoelectric properties of Mg3X2 (X = N, P, As, Sb, Bi) compounds.</a> Materials Research Bulletin. 91, 22-30 (2017).</li><li>Li, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrocatalytic+zinc+composites+as+the+efficient+counter+electrodes+of+dye-sensitized+solar+cells:+study+on+the+electrochemical+performance+and+density+functional+theory+Calculations.">Electrocatalytic zinc composites as the efficient counter electrodes of dye-sensitized solar cells: study on the electrochemical performance and density functional theory Calculations.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 7 (51), 28254-28263 (2015).</li><li>Sinha, S., Choudhury, D., Rajaraman, G., Sarkar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+layer+deposition+of+Zn3N2+thin+films:+growth+mechanism+and+application+in+thin+film+transistor.">Atomic layer deposition of Zn3N2 thin films: growth mechanism and application in thin film transistor.</a> RSC Advances. 5 (29), 22712-22717 (2015).</li><li>Bhattacharyya, S. R., Ayouchi, R., Pinnisch, M., Schwarz, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transfer+characteristic+of+zinc+nitride+based+thin+film+transistors.">Transfer characteristic of zinc nitride based thin film transistors.</a> Physica Status Solidi C. 9 (3-4), 469-472 (2012).</li><li>Wu, P., Tiedje, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+beam+epitaxy+growth+and+optical+properties+of+Mg3N2+films.">Molecular beam epitaxy growth and optical properties of Mg3N2 films.</a> Applied Physics Letters. 113 (8), 082101.1-082101.4 (2018).</li><li>Wu, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+beam+epitaxy+growth+and+optical+properties+of+single+crystal+Zn3N2+films.">Molecular beam epitaxy growth and optical properties of single crystal Zn3N2 films.</a> Semiconductor Science and Technology. 31 (10), 10LT01.1-10LT01.4 (2016).</li><li>Jiang, N., Georgiev, D. G., Jayatissa, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effects+of+the+pressure+and+the+oxygen+content+of+the+sputtering+gas+on+the+structure+and+the+properties+of+zinc+oxy-nitride+thin+films+deposited+by+reactive+sputtering+of+zinc.">The effects of the pressure and the oxygen content of the sputtering gas on the structure and the properties of zinc oxy-nitride thin films deposited by reactive sputtering of zinc.</a> Semiconductor Science and Technology. 28 (2), 025009 (2013).</li><li>Nakano, Y., Morikawa, T., Ohwaki, T., Taga, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+characterization+of+p-type+N-doped+ZnO+films+prepared+by+thermal+oxidation+of+sputtered+Zn3N2+films.">Electrical characterization of p-type N-doped ZnO films prepared by thermal oxidation of sputtered Zn3N2 films.</a> Applied Physics Letters. 88 (17), 172103.1-172103.3 (2006).</li><li>Cao, X., Yamaguchi, Y., Ninomiya, Y., Yamada, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparative+study+of+electron+transport+mechanisms+in+epitaxial+and+polycrystalline+zinc+nitride+films.">Comparative study of electron transport mechanisms in epitaxial and polycrystalline zinc nitride films.</a> Journal of Applied Physics. 119 (2), 025104.1-025104.10 (2016).</li><li>Jia, J., Kamijo, H., Nakamura, S., Shigesato, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+the+sputtering+process+influence+structural,+optical,+and+electrical+properties+of+Zn3N2+films.">How the sputtering process influence structural, optical, and electrical properties of Zn3N2 films.</a> MRS Communications. 8 (2), 314-321 (2018).</li><li>Trapalis, A., Hefferman, J., Farrer, I., Sherman, J., Kean, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural,+electrical+and+optical+characterization+of+as-grown+and+oxidized+zinc+nitride+films.">Structural, electrical and optical characterization of as-grown and oxidized zinc nitride films.</a> Journal of Applied Physics. 120 (20), 205102.1-205102.9 (2016).</li><li>N&#250;&#241;ez, C. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+zinc+nitride+properties+and+the+unintentional+incorporation+of+oxygen.">On the zinc nitride properties and the unintentional incorporation of oxygen.</a> Thin Solid Films. 520 (6), 1924-1929 (2012).</li><li>Oshima, T., Fujita, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=(111)-oriented+Zn3N2+growth+on+a-plane+sapphire+substrates+by+molecular+beam+epitaxy.">(111)-oriented Zn3N2 growth on a-plane sapphire substrates by molecular beam epitaxy.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 45 (111), 8653-8655 (2006).</li><li>Heavens, O. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Optical properties of thin solid films. , 46-48 (1955).</li><li>Heyns, A. H., Prinsloo, L. C., Range, K. J., Stassen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+vibrational+spectra+and+decomposition+of+&#945;-calcium+nitride+(&#945;-Ca3N2)+and+magnesium+nitride+(Mg3N2).">The vibrational spectra and decomposition of &#945;-calcium nitride (&#945;-Ca3N2) and magnesium nitride (Mg3N2).</a> Journal of Solid-State Chemistry. 137, 33-41 (1998).</li><li>Lewis, R. B., Bahrami-Yekta, V., Patel, M. J., Tiedje, T., Masnadi-Shirazi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Closed-cycle+cooling+of+cryopanels+in+molecular+beam+epitaxy.">Closed-cycle cooling of cryopanels in molecular beam epitaxy.</a> Journal of Vacuum Science Technology B. 32 (2), 02C102.1-02C102.7 (2014).</li></ol>

Een verscheidenheid aan overwegingen is betrokken bij de keuze van substraten en het vaststellen van de groeiomstandigheden die de structurele en elektronische eigenschappen van de films optimaliseren. De MgO-substraten worden verhit bij hoge temperatuur in de lucht (1000 °C) om koolstof verontreiniging van het oppervlak te verwijderen en de kristallijne volgorde in het substraat oppervlak te verbeteren. Ultrasone reiniging in aceton is een goede alternatieve methode om de MgO-substraten te reinigen.
<p class="jove_...

De II3-v2 materialen zijn een klasse van halfgeleiders die relatief weinig aandacht hebben gekregen van de Semiconductor Research Community in vergelijking met III-v en II-VI halfgeleiders1. De mg en Zn nitrides, mg3n2 en Zn3n2, zijn aantrekkelijk voor consumententoepassingen omdat ze zijn samengesteld uit overvloedige en niet-toxische elementen, waardoor ze goedkoop en gemakkelijk te recyclen zijn, in tegenstelling tot de meeste III-V en II-VI samengestelde halfgeleiders. Ze vertonen een anti-bixbyite kristalstructuur vergelijkbaar met de CaF2 structuur, met een van de interpenetrerende FCC F-sublattices wordt half bezet2,3,4,5. Ze zijn beide direct band gap materialen6, waardoor ze geschikt zijn voor optische toepassingen7,8,9. De band gap van mg3n2 bevindt zich in het zichtbare spectrum (2,5 EV)10, en de band gap van Zn3n2 bevindt zich in de nabije-infrarood (1,25 EV)11. Om de fysische eigenschappen van deze materialen en hun potentieel voor elektronische en optische apparaattoepassingen te verkennen, is het van cruciaal belang om hoge kwaliteit, enkele kristallen films te verkrijgen. Het meeste werk aan deze materialen is tot nu toe uitgevoerd op poeders of polykristallijne films gemaakt door reactieve sputteren12,13,14,15,16, 17.
Moleculaire straal epitaxy (MBE) is een goed ontwikkelde en veelzijdige methode voor het kweken van single-Crystal samengestelde halfgeleider films18 die het potentieel heeft om hoogwaardige materialen te leveren met behulp van een schone omgeving en hoogwaardige elementaire bronnen. Ondertussen maakt MBE Rapid Shutter-actie wijzigingen in een film op de schaal van atomaire lagen mogelijk en zorgt voor nauwkeurige dikte regeling. Dit papier rapporteert over de groei van mg3n2 en Zn3n2 epitaxiale films op MgO SUBSTRATEN door plasma-geassisteerde MBE, met behulp van hoge zuiverheid Zn en mg als damp bronnen en N2 gas als de stikstofbron.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:743px;" width="742">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:222px;">(100) MgO</td>
			<td style="width:123px;">University Wafer</td>
			<td style="width:123px;">214018</td>
			<td style="width:276px;">one side epi-polished</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:222px;">Acetone</td>
			<td style="width:123px;">Fisher Chemical&#160;</td>
			<td style="width:123px;">170239</td>
			<td style="width:276px;">99.8%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:222px;">Argon laser</td>
			<td style="width:123px;">Lexel Laser</td>
			<td style="width:123px;">00-137-124</td>
			<td>488 nm visible wavelength, 350 mW output power</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:222px;">Chopper&#160;</td>
			<td style="width:123px;">Stanford Research system&#160;</td>
			<td style="width:123px;">SR540</td>
			<td style="width:276px;">&#160;Max. Frequency: 3.7 kHz&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:222px;">Lock-in amplifier&#160;</td>
			<td style="width:123px;">Stanford Research system&#160;</td>
			<td style="width:123px;">37909</td>
			<td style="width:276px;">DSP SR810, Max. Frequency: 100 kHz&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:222px;">Magnesium&#160;</td>
			<td style="width:123px;">UMC</td>
			<td style="width:123px;">MG6P5</td>
			<td style="width:276px;">99.9999%</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:222px;">MBE system</td>
			<td style="width:123px;">VG Semicon</td>
			<td style="width:123px;">V80H0016-2 SHT 1</td>
			<td style="width:276px;">V80H-10</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:222px;">Methanol&#160;</td>
			<td style="width:123px;">Alfa Aesar</td>
			<td style="width:123px;">L30U027</td>
			<td style="width:276px;">Semi-grade 99.9%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:222px;">Nitrogen</td>
			<td style="width:123px;">Praxair</td>
			<td style="width:123px;">402219501</td>
			<td style="width:276px;">99.998%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:222px;">Oxygen&#160;</td>
			<td style="width:123px;">Linde Gas</td>
			<td style="width:123px;">200-14-00067</td>
			<td style="width:276px;">&#62; 99.9999%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:222px;">Plasma source</td>
			<td style="width:123px;">SVT Associates</td>
			<td style="width:123px;">SVTA-RF-4.5PBN</td>
			<td>PBN, 0.11&#34; Aperture, Specify Length: 12&#34; &#8211; 20&#34;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:222px;">Si photodiode&#160;</td>
			<td style="width:123px;">Newport</td>
			<td style="width:123px;">2718</td>
			<td style="width:276px;">818-UV Enhanced, 200 - 1100 nm</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:222px;">Zinc&#160;</td>
			<td style="width:123px;">Alfa Aesar</td>
			<td style="width:123px;">7440-66-6</td>
			<td style="width:276px;">99.9999%</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

plasma-assisted molecular beam epitaxy growth of mg3n2 and zn3n2 thin films

Dit artikel beschrijft een procedure voor het kweken van mg3n2 en Zn3n2 films door plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy (MBE). De films worden geteeld op 100 georiënteerde MgO substraten met N2 gas als stikstofbron. De methode voor de voorbereiding van de substraten en het groeiproces van de MBE worden beschreven. De oriëntatie en de kristallijne volgorde van het substraat en het film oppervlak worden gecontroleerd door de reflectie hoge energie elektron diffractie (RHEED) voor en tijdens de groei. De spiegelende reflectiviteit van het monster oppervlak wordt gemeten tijdens de groei met een AR-Ion laser met een golflengte van 488 nm. Door de tijdafhankelijkheid van de reflectiviteit aan een wiskundig model te monteren, worden de brekingsindex, de extinctiecoëfficiënt en de groeisnelheid van de film bepaald. De metalen fluxen worden onafhankelijk gemeten als functie van de effusieceltemperaturen met behulp van een kwartskristal monitor. Typische groeisnelheden zijn 0,028 nm/s bij een groei temperatuur van 150 °C en 330 °C voor respectievelijk mg3n2 en Zn3n2 films.

Het zwarte voorwerp in de inzet in Figuur 5b is een foto van een as-grown 200 nm Zn3N2 dunne film. Evenzo is het gele object in de inzet in Fig. 5c een as-grown 220 nm mg3N2 dunne film. De gele film is transparant voor zover het gemakkelijk te lezen tekst achter de film10geplaatst is.
Het oppervlak van ...

Watch this Scientific Journal Video about Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg3N2 and Zn3N2 Thin Films at JoVE.com

Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg3N2 and Zn3N2 Thin Films

Dit artikel beschrijft de groei van epitaxiale films van mg3n2 en Zn3n2 op MgO substraten door plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy met N2 gas als de stikstofbron en optische groei monitoring.

Plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy groei van mg3n2 en Zn3n2 dunne films

This article describes a procedure for growing Mg3N2 and Zn3N2 films by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE). The films are grown on 100 oriented ...

In deze video laten we zien hoe epitaxiale films van magnesiumnitriet en zinknitriet groeien door plasma-ondersteunde moleculaire bundel epitaxy, of MBE voor kort. Magnesium nitriet en zinknitriet zijn II-V samengestelde halfgeleidermaterialen. Dit is een relatief onontgonnen klasse van halfgeleiders.Ze hebben de anti-bixbyite kristalstructuur, die 80 atomen in de conventionele kubus unit cel heeft. De films worden geteeld in een VG V80 MBE systeem. De horizontale kamer aan de linkerkant is de voorbereidingskamer en de ronde kamer aan de rechterkant is de groeikamer waar de filmgroei plaatsvindt.Het monsteringsslot, gelegen aan de linkerkant van de bereidingskamer. Het beste substraat dat we hebben gevonden voor de teelt van epitaxiale magnesium nitriet en zink nitriet is 100-georiënteerde single crystal magnesiumoxide. De een centimeter vierkante substraten worden eerst geplaatst op een saffier wafer monster drager met gepolijste kant omhoog en geannealed voor negen uur op 1, 000 graden C.Hoge temperatuur annealing verwijdert de koolstof uit het oppervlak en reconstrueert het oppervlak kristal structuur van het magnesiumoxide enkele kristallen substraten.Na het gloeien worden de monsters gespoeld in gedeïioneerd water, 30 minuten in aceton gekookt om eventuele organische koolstofverontreiniging van de behandeling te verwijderen, dan worden ze opnieuw gespoeld in methanol en droog geblazen met stikstof. De eerste stap in de MBE-groei is het inschakelen van het koelwater voor de fusiecellen en de cryo-shroud in de groeikamer. Dan schakelen we de groei monitoring laser, de RHEED voeding, de RF plasma generator voeding, en het kwarts kristal micro balans systeem.Magnesiumoxide substraten zijn gemonteerd op drie-inch diameter molybdeen monster houders met wolfraam veer clips. De eerste stap in het laden van de monsters in de MBE is het uitschakelen van de turbopomp en het ventileren van het snelle instapslot. De monsterhoudercassette wordt uit het snelle invoerslot verwijderd en een nieuw monster in de cassette geladen en de cassette wordt teruggezet naar het snelle instapslot.De turbopomp wordt gebruikt om het snelle instapslot te evacueren. Dus we meestal ontgas het substraat in de snelle ingang slot op 100 graden, Celsius graad, gedurende 30 minuten. En dan, breng het naar de voorbereiding kamer voor de-vergassing op 400 Celsius graad voor vijf uur.De degasmonsterhouder wordt door een trolleymechanisme overgebracht naar de groeikamer waar deze in de monstermanipulator wordt geladen. Het monster wordt 30 minuten lang vergast in de manipulator bij 750 graden C. Zorg ervoor dat het koelwater in de cryowade wordt ingeschakeld om oververhitting te voorkomen.In het geval van magnesiumnitrietgroei wordt de temperatuur van het substraat naar beneden getild tot 330 graden. De druk van de groeikamer moet nu onder de 10 tot de min acht Torr. De spanning op de reflectie hoge energie elektron diffractie pistool, of RHEED voor kort, wordt langzaam verhoogd tot 15 kilovolt en de filament kachel stroom is ingesteld op anderhalve ampère.De substraathouder wordt gedraaid totdat het elektronendiffractiepatroon uitlijning toont met de principe kristalgrafische as van het substraat en een duidelijk enkelkristalnlektroniffractiepatroon zichtbaar is. Standaard groep drie type diffusiecellen of lage temperatuur diffusiecellen worden gebruikt voor magnesium en zink. De smeltkroesen werden geladen met respectievelijk 15 gram en 25 gram magnesium- en zinkprik met een hoge zuiverheid.De zink- en magnesiumbron fusiecellen worden een uur lang op 250 graden vergast met gesloten rolluiken. Normaal gesproken gebeurt dit voordat u het substraat in de manipulator laadt. Nadat het substraat is geladen, verwarmen we de zinkfusiecel tot 350 graden C en de magnesiumcel tot 390 graden C.De fusiecellen mogen 10 minuten stabiliseren bij hun bedrijfstemperaturen voordat de rolluiken worden geopend.De intrekbare quartzkristalmonitor bevindt zich voor het substraat in de kamer. Zorg ervoor dat het substraat volledig door de detector wordt afgedekt, zodat er geen metaal op het substraat wordt afgezet. Voer de dichtheid van het metaal in de quartz crystal monitor controller, zodat de controller de dikte van het gedeponeerde metaal op de quartz kristalsensor kan uitlezen.Om de flux te kalibreren, openen we de sluiter op een van de metalen bronnen en laten we de metaalflux uit een van de infuuscel op de sensor storten. De dikte gemeten door de controller zal lineair toenemen met de tijd als het metaal opbouwt op de sensor. Door een rechte lijn aan de dikte te monteren als functie van de tijd, verkrijgen we een nauwkeurige meting van de metaalflux.Zodra de fluxmetingen zijn voltooid, sluit u de luiken op de infuuscellen en trekt u de quartz crystal monitordetector van de voorkant van de monsterhouder in. Deze grafiek toont de temperatuurafhankelijkheid van een flux dat de metaalbron wordt gemeten met een kwartskristalmonitor. De rechte lijnen worden bevestigd aan een verhouding Arrhenius.De flux verdubbelt ongeveer voor elke 12 graden stijging van de brontemperatuur. Schakel de gloeistroom en de hoge spanning op het RHEED-pistool uit om schade aan de gloeidraad te voorkomen in aanwezigheid van een hoge stikstofgasdruk in de groeikamer. De volgende stap is om de stikstofplasmabron te starten.Open een gasklep op de hogedrukcilinder en open vervolgens langzaam de lekklep totdat de stikstofdruk in de groeikamer drie tot vier keer 10 tot min vijf Torr bereikt. Stel vervolgens het vermogen in op de 13,56 MHz RF-voeding op 300 watt. Het plasma wordt gestart met een ontsteker op de plasmabron.Wanneer het plasma is begonnen, is een heldere paarse gloed zichtbaar vanaf de weergavepoort aan de achterkant van de plasmabron. Pas de besturing op de radiofrequentie matching box aan om het reflecterende vermogen zoveel mogelijk te minimaliseren. Een gereflecteerd vermogen van minder dan 15 watt is goed.Richt het gehakte 488 nanometer golflengte argon laserlicht gereflecteerd uit het substraat in de groeikamer op de siliconen foto diode, zodat een elektrisch signaal kan worden gedetecteerd door de lock-in versterker. Dit wordt bereikt door de hoek van het substraat aan te passen door de substraathouder rond twee assen te draaien en door de positie van de siliconendetector en de scherpstellens aan te passen die het gereflecteerde licht verzamelt, zoals in deze afbeelding te zien is. Een laser lijn filter wordt gebruikt om al het licht te blokkeren, behalve voor de 488 nanometer licht van de argon laser.De foto diode output wordt gemeten met een lock-in versterker en deze single is evenredig aan de reflectiviteit van het oppervlak van het substraat. Open de sluiter van een van de metalen bronnen. Noteer de tijdafhankelijke reflectiviteit met een computergestuurde datalogger.De groei van een epitaxiale film zal een oscillerend gereflecteerd signaal produceren dat geassocieerd is met dunne-film optische interferentie tussen de voor- en achterkant van de film. Wanneer de magnesiumnitrietfilms voor het eerst uit de MBE worden gehaald, zijn ze geel, maar vervagen ze snel naar een witachtige kleur. Om de folies te beschermen tegen oxidatie en lucht, wordt aanbevolen om een inkapselingslaag van magnesiumoxide bovenop te storten voordat u de film uit de groeikamer haalt om de film te beschermen tegen oxidatie wanneer deze aan lucht wordt blootgesteld.Dit is vooral belangrijk voor magnesium nitriet en minder kritisch voor zink nitriet. Om een magnesiumoxide inkapseling laag te deponeren, sluit het stikstofgas en schakel over op zuurstofgas en verhoogt de druk van de zuurstof tot 10 tot de min vijf Torr. Tijdens de groei van de aftoppingslaag reduceren we het RF-vermogen tot 250 watt.Het plasma begint bij een lager RF-vermogen met zuurstof dan bij stikstof. Zodra het zuurstofplasma draait, opent u de sluiter van de magnesiumbron en controleert u de tijdafhankelijke reflectiviteit gedurende 10 minuten. Dit zal een magnesiumoxide film die ongeveer 10 nanometer dik.Een optische reflectiviteit van de monsters kan met deze vergelijking worden gemodelleerd. n2 is de brekingsindex van het magnesiumoxidesubstraat op 488 nanometer, wat gelijk is aan 1,75. Theta niets is de hoek van het incident wordt gemeten met betrekking tot het substraat normaal.En t is tijd tijdens het groeiproces. De optische constanten van de film, n1 en k1, en de groeisnelheid worden verkregen door de reflectiviteit als functie van tijd met de vergelijking te passen. Het gele vierkant is een voorbeeld van de magnesium nitriet film bedekt met magnesiumoxide en het zwarte vierkant is een zink nitriet film.De magnesium nitriet is geel omdat het een band gat in de zichtbare, terwijl het zink nitriet is zwart omdat het band kloof is het infrarood. De foto aan de linkerkant is de RHEED elektronendiffractie patroon voor een kale magnesiumoxide substraat met de elektronenbundel uitgelijnd parallel aan de 110 richting. Het middelste beeld is het diffractiepatroon van een zinknitrietfilm en de foto rechts is afkomstig van een magnesiumnitrietfilm.Deze resultaten tonen aan dat de kristalstructuren van de gedeponeerde films zijn georiënteerd in het vlak van het substraat zoals we zouden verwachten voor epitaxiale films. Dit laat zien wat er gebeurt met het elektronendiffractiepatroon wanneer u het naakte magnesiumoxidesubstraat in de monstermanipulator draait. Deze grafiek toont de optische reflectiviteit als functie van de tijd tijdens de groei van zinknitriet en magnesium nitriet films.Door de reflectiviteit als tijdsfunctie aan te passen aan het optische model, u de index van breking extraheren, n, de extinctiecoëfficiënt, k, en het groeipercentage, g, voor de films. De reflectiviteit daalt met de tijd in het geval van de magnesium nitriet films als gevolg van oppervlakte ruwheid verstrooiing, die we wiskundig gemodelleerd door een gedempte exponentiële. In deze video hebben we u laten zien hoe epitaxiale magnesium- en zinknitrietfilms te kweken door plasma-ondersteunde moleculaire bundel epitaxy.Een van onze resultaten is dat het meten van de optische reflectiviteit van de monsters terwijl ze groeien is een goede manier om zowel de groeisnelheid en de optische constanten van de film te bepalen. Helaas heeft ons materiaal geen fotoluminescentie laten zien, hetzij bij kamertemperatuur of bij lage temperatuur, dus er is een noodzaak om verdere verbeteringen in de filmkwaliteit aan te brengen. Experimenten in ons lab op poedermonsters geven een aanwijzing voor hoe dit kan worden gedaan.Zink nitriet poeders gemaakt door te reageren zink met ammoniak bij hoge temperatuur tonen sterke fotoluminescentie. Dit suggereert dat het gebruik van ammoniak in plaats van stikstofgas als stikstofbron een manier zou kunnen zijn om materiaal te maken met verbeterde elektronische eigenschappen.

Research

JoVE Journal

Engineering

Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg3N2 and Zn3N2 Thin Films

Molecular Beam Mass Spectrometry With Tunable Vacuum Ultraviolet (VUV) Synchrotron Radiation

Molecular Beam Mass Spectrometry With Tunable Vacuum Ultraviolet VUV Synchrotron Radiation

Moleculaire Beam massaspectrometrie met afstelbare Vacuum Ultraviolet (VUV) Synchrotron Radiation

Tunable soft ionization coupled to mass spectroscopy is a powerful method to investigate isolated molecules, complexes and clusters and their spectroscopy ...

Speciation and Bioavailability Measurements of Environmental Plutonium Using Diffusion in Thin Films

Speciatie en biologische beschikbaarheid Metingen van Milieu Plutonium gebruik van Diffusion in Thin Films

The biological uptake of plutonium (Pu) in aquatic ecosystems is of particular concern since it is an alpha-particle emitter with long half-life which can ...

Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy of N-polar InAlN-barrier High-electron-mobility Transistors

-Plasma ondersteunde Moleculaire bundel epitaxie van N-polaire InAlN-barrière High-elektron-mobiliteit Transistors

Plasma-assisted molecular beam epitaxy is well suited for the epitaxial growth of III-nitride thin films and heterostructures with smooth, abrupt ...

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for CuIn,GaSe2 Solar Cells

In Situ Toezicht op de afbraak van de versnelde prestaties van zonnecellen en Modules: een Case-Study voor Cu (In, Ga) Se2 zonnecellen

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction ...

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Gerichte Ion Beam fabricage van LiPON gebaseerde Solid-state Lithium-ion Nanobatteries voor het testen van In Situ

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

Fabrication of Ultra-thin Color Films with Highly Absorbing Media Using Oblique Angle Deposition

Fabricage van Films van de ultra-dunne kleur met zeer absorberen van Media met behulp van schuine hoek depositie

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present ...

Film Control to Study Contributions of Waves to Droplet Impact Dynamics on Thin Flowing Liquid Films

Controle van de film te bestuderen van de bijdragen van golven te druppel effect dynamiek op dunne stroomt vloeistof Films

Droplet impact is a very common phenomenon in nature and attracts attention due to its aesthetic fascination and wide-ranging applications. Previous ...

Fabrication of Schottky Diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure Grown by Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy

Fabricage van Schottky Diodes op Zn-polaire BeMgZnO/ZnO Heterostructure gegroeid door moleculaire Beam Plasma-bijgewoonde epitaxie

Heterostructure field effect transistors (HFETs) utilizing a two dimensional electron gas (2DEG) channel have a great potential for high speed device ...

Demonstration of Equal-Intensity Beam Generation by Dielectric Metasurfaces

Demonstratie van gelijke-intensiteit Beam generatie door diëlektrische meta vlakken

The fabrication and characterization protocol for a metasurface beam splitter, enabling equal-intensity beam generation, is demonstrated. Hydrogenated ...

Procedure for the Transfer of Polymer Films Onto Porous Substrates with Minimized Defects

Procedure voor de overdracht van polymeer folies op poreuze substraten met geminimaliseerde gebreken

The fabrication of devices containing thin film composite membranes necessitates the transfer of these films onto the surfaces of arbitrary support ...