Name: plasma-assisted molecular beam epitaxy growth of mg3n2 and zn3n2 thin films
Uploaded: 2019-05-11T13:00:00
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Este trabajo fue apoyado por el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá.

1. Preparación del sustrato de MgO
NOTA: Para el crecimiento de la película delgada X3N2 (X - Zn y Mg) se emplearon sustratos cuadrados de cristal único orientados a un lado (100) (1 cm x 1 cm).
<ol><li>Recocido de alta temperatura<ol>
<li>Coloque el MgO en un portamuestras de obleas de zafiro limpio con el lado pulido orientado hacia arriba en un horno y recocido durante 9 h a 1.000 oC. Elevar la temperatura a 1000 oC durante un período de 10 minutos.<br...

<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. 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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. 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Una variedad de consideraciones está involucrada en la elección de sustratos y el establecimiento de las condiciones de crecimiento que optimizan las propiedades estructurales y electrónicas de las películas. Los sustratos de MgO se calientan a alta temperatura en el aire (1000 oC) para eliminar la contaminación por carbono de la superficie y mejorar el orden cristalino en la superficie del sustrato. La limpieza ultrasónica en acetona es un buen método alternativo para limpiar los sustratos de MgO.
<p class="j...

Los materiales II3-V2 son una clase de semiconductores que han recibido relativamente poca atención de la comunidad de investigación de semiconductores en comparación con los semiconductores III-V y II-VI1. Los nitruros Mg y Zn, Mg3N2 y Zn3N2,son atractivos para aplicaciones de consumo porque están compuestos de elementos abundantes y no tóxicos, haciéndolos baratos y fáciles de reciclar a diferencia de la mayoría de III-V y II-VI semiconductores compuestos. Muestran una estructura de cristal anti-bixbyita similar a la estructura CaF2, con uno de los f-sublattices fcc interpenetrantes siendo medio ocupado2,3,4,5. Ambos son materialesde separación de banda directa 6, por lo que son adecuados para aplicaciones ópticas7,8,9. La brecha de banda de Mg3N2 está en el espectro visible (2,5 eV)10, y la brecha de banda de Zn3N2 está en el infrarrojo cercano (1,25 eV)11. Para explorar las propiedades físicas de estos materiales y su potencial para aplicaciones de dispositivos electrónicos y ópticos, es fundamental obtener películas de cristal único de alta calidad. La mayor parte de los trabajos sobre estos materiales hasta la fecha se han realizado en polvos o películas policristalinas realizadas por esputo reactivo12,13,14,15,16, 17.
La epitaxía de haz molecular (MBE) es un método bien desarrollado y versátil para el cultivo de películas semiconductoras compuestas de un solo cristal18 que tiene el potencial de producir materiales de alta calidad utilizando un entorno limpio y fuentes elementales de alta pureza. Mientras tanto, la acción rápida del obturador MBE permite cambios en una película a la escala de capa atómica y permite un control preciso del espesor. Este artículo informa sobre el crecimiento de mg3N2 y Zn3N2 películas epitaxiales en sustratos de MgO por MBE asistido por plasma, utilizando Zn y Mg de alta pureza como fuentes de vapor y N2 gas como fuente de nitrógeno.

<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

Este artículo describe un procedimiento para el cultivo de películas Mg3N2 y Zn3N2 por epitaxía de haz molecular asistido por plasma (MBE). Las películas se cultivan en 100 sustratos MgO orientados con n2 gas como fuente de nitrógeno. Se describe el método para preparar los sustratos y el proceso de crecimiento de MBE. La orientación y el orden cristalino del sustrato y la superficie de la película son monitoreados por la reflexión de difracción de electrones de alta energía (RHEED) antes y durante el crecimiento. La reflectividad especular de la superficie de la muestra se mide durante el crecimiento con un láser Ar-ion con una longitud de onda de 488 nm. Al ajustar la dependencia temporal de la reflectividad a un modelo matemático, se determinan el índice de refracción, el coeficiente de extinción óptica y la tasa de crecimiento de la película. Los flujos metálicos se miden independientemente en función de las temperaturas celulares de derrame utilizando un monitor de cristal de cuarzo. Las tasas de crecimiento típicas son de 0,028 nm/s a temperaturas de crecimiento de 150 oC y 330 oC para películas Mg3N2 y Zn3N2, respectivamente.

El objeto negro en el recuadro en la Figura 5B es una fotografía de una película delgada de 200 nm Zn3N2. Del mismo modo, el objeto amarillo en el recuadro en la Figura 5C es una película delgada de 220 nm Mg3N2 cultivada. La película amarilla es transparente en la medida en que es un texto fácil de leer colocado detrás de la película10.
<p class="jove...

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

Este artículo describe el crecimiento de películas epitaxiales de Mg3N2 y Zn3N2 en sustratos de MgO por epitaxiía de haz molecular asistida por plasma con gas N2 como fuente de nitrógeno y monitoreo óptico del crecimiento.

Crecimiento de la epitasa de haz molecular asistido por plasma de Mg3N2 y Zn3N2 Thin 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 ...

En este video, mostramos cómo cultivar películas epitaxiales de nitrito de magnesio y nitrito de zinc por epitaxia de haz molecular asistida por plasma, o MBE para abreviar. El nitrito de magnesio y el nitrito de zinc son materiales semiconductores compuestos II-V. Esta es una clase relativamente inexplorada de semiconductores.Tienen la estructura cristalina antibixixilita, que tiene 80 átomos en la célula de unidad de cubo convencional. Las películas se cultivan en un sistema VG V80 MBE. La cámara horizontal de la izquierda es la cámara de preparación y la cámara redonda a la derecha es la cámara de crecimiento donde se lleva a cabo el crecimiento de la película.La cerradura de entrada de muestra, situada en el extremo izquierdo de la cámara de preparación. El mejor sustrato que hemos encontrado para el cultivo de nitrito de magnesio epitaxial y nitrito de zinc es el óxido de magnesio de cristal único orientado a 100. Los sustratos cuadrados de un centímetro se colocan primero en un portador de muestra de oblea de zafiro con el lado pulido hacia arriba y recocido durante nueve horas a 1.000 grados C.Recocido de alta temperatura elimina el carbono de la superficie y reconstruye la estructura cristalina superficial de los sustratos de cristal único de óxido de magnesio.Después de recocido, las muestras se enjuagan en agua desionizada, se hierve en acetona durante 30 minutos para eliminar cualquier contaminación de carbono orgánico de la manipulación, luego se enjuagan de nuevo en metanol y se secan con nitrógeno. El primer paso en el crecimiento de MBE es encender el agua de enfriamiento para las células de fusión y la crio-cubierta en la cámara de crecimiento. Luego encendemos el láser de monitoreo de crecimiento, la fuente de alimentación RHEED, la fuente de alimentación del generador de plasma RF y el sistema de microsequilibrio de cristal de cuarzo.Los sustratos de óxido de magnesio se montan en soportes de muestra de molibdeno de tres pulgadas de diámetro con clips de resorte de tungsteno. El primer paso para cargar las muestras en el MBE es apagar la bomba turbo y ventilar el bloqueo de entrada rápido. El cassette del portacuchillas se retira del bloqueo de entrada rápida y se carga una nueva muestra en el cassette y el cassette se vuelve a colocar en el bloqueo de entrada rápida.La bomba turbo se utiliza para evacuar el bloqueo de entrada rápida. Así que normalmente desgastamos el sustrato en el bloqueo de entrada rápida a 100 grados, grado Celsius, durante 30 minutos. Y luego, transfiéralo a la cámara de preparación para desgaste a 400 grados Celsius durante cinco horas.El portacuchillas de desgasída se transfiere mediante un mecanismo de carro a la cámara de crecimiento donde se carga en el manipulador de muestras. La muestra está fuera de gas en el manipulador a 750 grados C durante 30 minutos. Asegúrese de que el agua de refrigeración esté encendida en la cubierta criogénica para evitar el sobrecalentamiento.En el caso del crecimiento de nitrito de magnesio, la temperatura del sustrato se reduce a 330 grados. La presión de la cámara de crecimiento ahora debe estar por debajo de 10 a la menos ocho Torr. El voltaje en la pistola de difracción de electrones de alta energía de reflexión, o RHEED para abreviar, se incrementa lentamente a 15 kilovoltas y la corriente del calentador de filamento se establece en un ampeador y medio.El soporte del sustrato se gira hasta que el patrón de difracción de electrones muestra la alineación con el eje gráfico cristalino principal del sustrato y un patrón claro de difracción de electrones de un solo cristal es visible. Las células de difusión de grupo estándar de tres tipos o las células de difusión de baja temperatura se utilizan para magnesio y zinc. Los crisoles fueron cargados con 15 gramos y 25 gramos de magnesio de alta pureza y tiro de zinc, respectivamente.Las células de fusión de la fuente de zinc y magnesio están fuera de gas a 250 grados durante una hora con las persianas cerradas. Normalmente esto se hace antes de cargar el sustrato en el manipulador. Después de cargar el sustrato, calentamos la célula de fusión de zinc hasta 350 grados C y la célula de magnesio a 390 grados C.Las células de fusión se permiten estabilizar durante 10 minutos a sus temperaturas de funcionamiento antes de abrir las persianas.El monitor de cristal de cuarzo retráctil se coloca delante del sustrato dentro de la cámara. Asegúrese de que el sustrato esté completamente cubierto por el detector, de modo que no se deposite ningún metal en el sustrato. Introduzca la densidad del metal en el controlador del monitor de cristal de cuarzo, de modo que el controlador pueda leer el grosor del metal depositado en el sensor de cristal de cuarzo.Para calibrar el flujo, abrimos el obturador en una de las fuentes metálicas y permitimos que el flujo metálico de una de las células de perfusión se deposite en el sensor. El espesor medido por el controlador aumentará linealmente con el tiempo a medida que el metal se acumula en el sensor. Al ajustar una línea recta al espesor en función del tiempo, obtenemos una medición precisa del flujo metálico.Una vez completadas las mediciones de flujo, cierre las persianas de las células de perfusión y retraiga el detector de monitor de cristal de cuarzo de la parte frontal del soporte de la muestra. Este gráfico muestra la dependencia de la temperatura de un flujo que la fuente de metal se mide con un monitor de cristal de cuarzo. Las líneas rectas se fijan a una relación De Arrhenius.El flujo se duplica aproximadamente por cada aumento de 12 grados en la temperatura de la fuente. Apague la corriente del filamento y el alto voltaje de la pistola RHEED para evitar daños en el filamento en presencia de una alta presión de gas nitrógeno en la cámara de crecimiento. El siguiente paso es iniciar la fuente de plasma de nitrógeno.Abra una válvula de gas en el cilindro de alta presión, luego abra lentamente la válvula de fuga hasta que la presión de nitrógeno en la cámara de crecimiento alcance tres a cuatro veces 10 a menos cinco Torr. A continuación, ajuste la alimentación de la fuente de alimentación RF de 13,56 MHz a 300 vatios. El plasma se inicia con un encendedor en la fuente de plasma.Cuando el plasma ha comenzado, un resplandor púrpura brillante es visible desde el puerto de visión en la parte posterior de la fuente de plasma. Ajuste el control en la caja de coincidencia de radiofrecuencia para minimizar la potencia reflectante tanto como sea posible. Una potencia reflejada de menos de 15 vatios es buena.Enfoque la luz láser de argón de longitud de onda de 488 nanómetros picada reflejada desde el sustrato de la cámara de crecimiento en el diodo fotográfico de silicona, de modo que el amplificador de bloqueo pueda detectar una señal eléctrica. Esto se logra ajustando el ángulo del sustrato girando el soporte del sustrato alrededor de dos ejes y ajustando la posición del detector de silicona y la lente de enfoque que recoge la luz reflejada como se muestra en esta imagen. Un filtro de línea láser se utiliza para bloquear toda la luz excepto la luz de 488 nanómetros del láser de argón.La salida del diodo fotográfico se mide con un amplificador de bloqueo y este único es proporcional a la reflectividad de la superficie del sustrato. Abra el obturador de una de las fuentes metálicas. Registre la reflectividad dependiente del tiempo con un registrador de datos controlado por ordenador.El crecimiento de una película epitaxial producirá una señal reflejada oscilatoria asociada con la interferencia óptica de película delgada entre las superficies frontal y posterior de la película. Cuando las películas de nitrito de magnesio se sacan por primera vez del MBE, son amarillas, pero se desvanecen rápidamente a un color blanquecino. Para proteger las películas de la oxidación y el aire, se recomienda que se deposite una capa de encapsulación de óxido de magnesio en la parte superior antes de sacar la película de la cámara de crecimiento para proteger la película de la oxidación cuando se expone al aire.Esto es especialmente importante para el nitrito de magnesio y menos crítico para el nitrito de zinc. Con el fin de depositar una capa de encapsulación de óxido de magnesio, cierre el gas nitrógeno y cambie al gas de oxígeno y aumente la presión del oxígeno a 10 a menos cinco Torr. Durante el crecimiento de la capa de tapado, reducimos la potencia de RF a 250 vatios.El plasma comienza con una potencia de RF más baja con oxígeno que con nitrógeno. Una vez que el plasma de oxígeno esté funcionando, abra el obturador en la fuente de magnesio y monitoree la reflectividad dependiente del tiempo durante 10 minutos. Esto producirá una película de óxido de magnesio que tiene unos 10 nanómetros de espesor.Con esta ecuación se puede modelar una reflectividad óptica de las muestras. n2 es el índice de refracción del sustrato de óxido de magnesio a 488 nanómetros, que es igual a 1,75. Theta nada es el ángulo del incidente que se mide con respecto al sustrato normal.Y t es tiempo durante el proceso de crecimiento. Las constantes ópticas de la película, n1 y k1, y la tasa de crecimiento se obtienen ajustando la reflectividad en función del tiempo con la ecuación. El cuadrado amarillo es un ejemplo de la película de nitrito de magnesio cubierta con óxido de magnesio y el cuadrado negro es una película de nitrito de zinc.El nitrito de magnesio es amarillo porque tiene un espacio de banda en lo visible, mientras que el nitrito de zinc es negro porque su separación de banda es el infrarrojo. La imagen de la izquierda es el patrón de difracción de electrones RHEED para un sustrato de óxido de magnesio desnudo con el haz de electrones alineado paralelo a la dirección 110. La imagen central es el patrón de difracción de una película de nitrito de zinc y la imagen de la derecha es de una película de nitrito de magnesio.Estos resultados muestran que las estructuras cristalinas de las películas depositadas están orientadas en el plano del sustrato como cabría esperar de las películas epitaxiales. Esto muestra lo que sucede con el patrón de difracción de electrones cuando se gira el sustrato de óxido de magnesio desnudo en el manipulador de la muestra. Este gráfico muestra la reflectividad óptica en función del tiempo durante el crecimiento de películas de nitrito de zinc y nitrito de magnesio.Al ajustar la reflectividad en función del tiempo al modelo óptico, puede extraer el índice de refracción, n, el coeficiente de extinción, k, y la tasa de crecimiento, g, para las películas. La reflectividad cae con el tiempo en el caso de las películas de nitrito de magnesio debido a la dispersión de la rugosidad de la superficie, que modelamos matemáticamente por un exponencial amortiguado. En este video, te hemos mostrado cómo cultivar películas epitaxiales de magnesio y nitrito de zinc mediante epitaxia de haz molecular asistida por plasma.Uno de nuestros resultados es que medir la reflectividad óptica de las muestras mientras crecen es una buena manera de determinar tanto la tasa de crecimiento como las constantes ópticas de la película. Desafortunadamente, nuestro material no mostró fotoluminiscencia, ya sea a temperatura ambiente o a baja temperatura, por lo que es necesario hacer más mejoras en la calidad de la película. Los experimentos en nuestro laboratorio sobre muestras de polvo proporcionan una pista de cómo se podría hacer esto.Los polvos de nitrito de zinc hechos por la reacción de zinc con amoníaco a alta temperatura muestran una fotoluminiscencia fuerte. Esto sugiere que el uso de amoníaco en lugar de gas nitrógeno como la fuente de nitrógeno podría ser una manera de hacer material con propiedades electrónicas mejoradas.

Research

JoVE Journal

Engineering

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Ingeniería

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