一種材料的生長(zhǎng)測(cè)試一體化系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明涉及一種先進(jìn)超快的材料的生長(zhǎng)測(cè)試一體化系統(tǒng)，涉及信息技術(shù)領(lǐng)域新的科學(xué)問(wèn)題，涉及到先進(jìn)材料的生長(zhǎng)和原位測(cè)量，其中尤為突出的材料的超快過(guò)程和自旋的測(cè)試。

背景技術(shù)：

信息技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，尋找具有能耗低、速度快、密度高，而且安全性好的新型電子器件已成為當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切任務(wù)。開(kāi)發(fā)基于電子自旋的芯片和存儲(chǔ)器件，從而在新一代信息技術(shù)的變革中搶占先機(jī)，對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具備重要的戰(zhàn)略意義。

薄膜材料生長(zhǎng)技術(shù)是新型電子器件的核心技術(shù)，分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)和脈沖激光沉積技術(shù)是特殊的真空鍍膜工藝，也是目前應(yīng)用于信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)中最頂尖的技術(shù)，為了發(fā)現(xiàn)最新的材料，實(shí)驗(yàn)室往往會(huì)利用這些頂尖技術(shù)來(lái)真空鍍膜。

分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：使用的襯底溫度低，膜層生長(zhǎng)速率慢，束流強(qiáng)度易于精確控制，膜層組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。用這種技術(shù)已能制備薄到幾十個(gè)原子層的單晶薄膜，以及交替生長(zhǎng)不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子顯微結(jié)構(gòu)材料。脈沖激光沉積則是一種利用激光對(duì)物體進(jìn)行轟擊，然后將轟擊出來(lái)的物質(zhì)沉淀在不同的襯底上，得到沉淀或者薄膜的一種手段。

很多新型材料對(duì)于外界條件的細(xì)微變化很敏感，有些特殊性質(zhì)需要在極端條件下測(cè)試，但是，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)儀器設(shè)備能夠同時(shí)具有材料生長(zhǎng)和原位測(cè)量?jī)纱蠊δ?，尤其在超快時(shí)間分辨光電能譜這一方面尤為缺少。本儀器項(xiàng)目將會(huì)填補(bǔ)此空白，同時(shí)在光子能量方面進(jìn)行拓展。

目前國(guó)際上最先進(jìn)的時(shí)間自旋分辨電子能譜儀器的激發(fā)光子的能量比較低6–7eV,常見(jiàn)半導(dǎo)體的功函數(shù)4–5eV，不能夠覆蓋整個(gè)價(jià)帶、導(dǎo)帶及深層的電子。需要發(fā)明一種儀器，這種儀器的優(yōu)勢(shì)在于把探測(cè)光子能量提高到100eV，從而可以全面地研究各種半導(dǎo)體、金屬、及絕緣材料及器件。

參考文獻(xiàn)：

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的：提出先進(jìn)材料的生長(zhǎng)測(cè)試一體化系統(tǒng)，在飛秒時(shí)間尺度上生長(zhǎng)并研究新信息材料的物理過(guò)程；引入電子的自旋自由度探測(cè)，研究信息材料及器件中的自旋行為。

本發(fā)明技術(shù)方案，先進(jìn)材料的生長(zhǎng)測(cè)試一體化系統(tǒng)，包括光源產(chǎn)生系統(tǒng)，真空傳輸系統(tǒng)，材料生長(zhǎng)系統(tǒng)以及時(shí)間和自旋分辨的電子能譜測(cè)試系統(tǒng)；

所述光源產(chǎn)生系統(tǒng)包括極紫外超短脈沖激光系統(tǒng)，光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，時(shí)間同步裝置，泵浦光和探測(cè)光合束器；

所述時(shí)間和自旋分辨的電子能譜測(cè)試系統(tǒng)包括：合束輸入窗口；真空測(cè)試腔；樣品固定架；半球電子能譜分析儀，掃描電子顯微鏡；

所述材料生長(zhǎng)系統(tǒng)包括：第一分子束外延生長(zhǎng)系統(tǒng)MBE1；第二分子束外延生長(zhǎng)系統(tǒng)MBE2；第一脈沖激光沉積系統(tǒng)PLD1；第二脈沖激光沉積系統(tǒng)PLD2；

真空傳輸系統(tǒng)包括超高真空樣品輸運(yùn)小車(chē)和串聯(lián)的超高真空管道和超高真空樣品室，通過(guò)超高真空管道(10^-11mBar)，在生長(zhǎng)腔室與能譜探測(cè)腔之間來(lái)回傳遞；實(shí)現(xiàn)不同先進(jìn)材料的生長(zhǎng)和制備。

所述超短脈沖激光系統(tǒng)包括依次連接的超短脈沖種子激光，極紫外超短脈沖激光放大器，脈沖激光壓縮器；極紫外超短脈沖激光單色儀。

所述極紫外超短脈沖激光產(chǎn)生器將高能脈沖激光聚焦至特定惰性氣體產(chǎn)生極紫外脈沖激光，還包括激光聚焦器件，多維調(diào)整機(jī)構(gòu)。所述極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括極紫外超短脈沖激光產(chǎn)生器，極紫外超短脈沖激光單色儀；所述極紫外超短脈沖激光產(chǎn)生器，極紫外超短脈沖激光單色儀，泵浦光和探測(cè)光合束器及樣品生長(zhǎng)傳輸均位于真空系統(tǒng)中。

所述極紫外超短脈沖激光單色儀包括分光光柵、濾波片或者多層鏡，反射鏡及其多維調(diào)整結(jié)構(gòu)。

所述合束輸入窗口指泵浦光和探測(cè)光合束器，包括反射鏡、聚焦鏡和多維調(diào)整機(jī)構(gòu)。

所述光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，通過(guò)非線性晶體將泵浦激光轉(zhuǎn)換至紫外-紅外波段；

所述掃描隧道電子顯微鏡，在此系統(tǒng)中該設(shè)備能探測(cè)生長(zhǎng)樣品表面的原子分布及排列，使之達(dá)到實(shí)驗(yàn)需求；

所述分子束外延系統(tǒng)，包括適用于多種材料生長(zhǎng)的蒸發(fā)源和觀察樣品晶格結(jié)構(gòu)的裝置；

所述脈沖激光沉積系統(tǒng)，包括適用于多種材料生長(zhǎng)的靶材和觀察樣品晶格結(jié)構(gòu)的裝置；

所述材料的生長(zhǎng)傳輸及測(cè)量均位于真空系統(tǒng)中，樣品在生長(zhǎng)腔室與能譜探測(cè)腔之間來(lái)回傳遞，而不會(huì)暴露在空氣中。這就避免了樣品表面吸附雜質(zhì)或被氧化。

本發(fā)明有益效果：本發(fā)明提供的先進(jìn)材料的生長(zhǎng)測(cè)試一體化系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

1)采用所述超短脈沖激光系統(tǒng)，本系統(tǒng)的激光源能夠提供100KHz—1MHz的重復(fù)頻率，大大縮短能譜測(cè)量時(shí)間，提高能譜信號(hào)的信噪比。

2)采用所述超短脈沖激光系統(tǒng)，用戶(hù)可以調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率變換器自行改變脈沖重復(fù)頻率。

3)采用所述光源產(chǎn)生系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠高效率產(chǎn)生高能量極紫外探測(cè)光子。

4)采用所述光源產(chǎn)生系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠同步極紫外探測(cè)光和近紅外泵浦光。

5)采用所述材料生長(zhǎng)系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠滿足能譜探測(cè)對(duì)材料表面潔凈度的要求。

6)采用兩個(gè)MBE裝置，本系統(tǒng)能夠滿足不同組分材料的分子束外延生長(zhǎng)，同時(shí)也保證了樣品不被污染。

7)采用兩個(gè)PLD裝置，本系統(tǒng)能夠滿足不同組分材料的脈沖激光沉積生長(zhǎng)，同時(shí)也保證了樣品不被污染。

8)采用掃描隧道電子顯微鏡裝置，本系統(tǒng)能夠在生長(zhǎng)階段探測(cè)樣品表面原子分布及排列。

9)采用所述時(shí)間和自旋分辨電子能譜測(cè)試系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠提高電子自旋探測(cè)效率。樣品可以通過(guò)真空傳輸系統(tǒng)(10^-11mBar)，在生長(zhǎng)腔室與能譜探測(cè)腔之間來(lái)回傳遞，而不會(huì)暴露在空氣中，這不但避免了樣品表面吸附雜質(zhì)或被氧化，而且實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)材料的原位測(cè)量。本發(fā)明將成為該領(lǐng)域最先進(jìn)的研究平臺(tái)，可以進(jìn)行超快動(dòng)態(tài)測(cè)量，將被廣泛應(yīng)用于研究各種新一代的電子信息材料與器件。

10)目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)儀器設(shè)備能夠同時(shí)具有超快時(shí)間分辨、高光子能量、和自旋探測(cè)三個(gè)方面的功能。本儀器項(xiàng)目將會(huì)填補(bǔ)此空白，同時(shí)在光子能量方面進(jìn)行拓展。這種儀器的優(yōu)勢(shì)在于把探測(cè)光子能量提高到100eV，能全面地研究各種半導(dǎo)體、金屬、及絕緣材料及器件。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明先進(jìn)材料的生長(zhǎng)測(cè)試一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明先進(jìn)材料的生長(zhǎng)測(cè)試一體化系統(tǒng)中光源產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明先進(jìn)材料的生長(zhǎng)測(cè)試一體化系統(tǒng)中材料生長(zhǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明先進(jìn)材料的生長(zhǎng)測(cè)試一體化系統(tǒng)中極紫外脈沖超短脈沖激光產(chǎn)生系統(tǒng)和極紫外超短脈沖激光單色儀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明先進(jìn)材料的生長(zhǎng)測(cè)試一體化系統(tǒng)中時(shí)間和自旋分辨電子能譜測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

1-光源產(chǎn)生系統(tǒng)；1.1-超短脈沖激光系統(tǒng)；1.2-光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；1.3-極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；1.3.1-極紫外脈沖超短脈沖激光產(chǎn)生系統(tǒng)；1.3.2-極紫外超短脈沖激光單色儀；1.4-時(shí)間同步裝置；1.5-泵浦光和探測(cè)光合束器；

2-時(shí)間和自旋分辨的電子能譜測(cè)試系統(tǒng)；2.1-合束輸入窗口；2.2-真空測(cè)試腔；2.3-樣品固定架；2.4-半球電子能譜分析儀，2.5-掃描電子顯微鏡；

3-真空傳輸系統(tǒng)；3.1-真空樣品輸運(yùn)小車(chē)；

4-材料生長(zhǎng)系統(tǒng)；4.1-分子束外延生長(zhǎng)系統(tǒng)MBE1；4.2-分子束外延生長(zhǎng)系統(tǒng)MBE2；4.3-脈沖激光沉積系統(tǒng)PLD1；4.4-脈沖激光沉積系統(tǒng)PLD2；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例：

如圖1所示，本實(shí)施例記載了一種先進(jìn)材料的生長(zhǎng)測(cè)試一體化系統(tǒng)，包括光源產(chǎn)生系統(tǒng)，時(shí)間和自旋分辨電子能譜測(cè)試系統(tǒng)，真空傳輸系統(tǒng)和材料生長(zhǎng)系統(tǒng)。光源產(chǎn)生系統(tǒng)和時(shí)間和自旋分辨電子能譜測(cè)試系統(tǒng)包括超短脈沖激光系統(tǒng)、極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、時(shí)間和自旋分辨電子能譜系統(tǒng)；材料生長(zhǎng)系統(tǒng)包括分子束外延系統(tǒng)，脈沖激光沉積系統(tǒng)；光源產(chǎn)生系統(tǒng)為時(shí)間和自旋分辨的電子能譜測(cè)試提供超短脈沖激光。通過(guò)自主研發(fā)的材料生長(zhǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)原位的樣品生長(zhǎng)和測(cè)量。樣品可以通過(guò)超高真空腔室(10^-11mBar)，在生長(zhǎng)腔室與能譜探測(cè)腔之間來(lái)回傳遞，而不會(huì)暴露在空氣中。這就避免了樣品表面吸附雜質(zhì)或被氧化。

如圖2所示，光源產(chǎn)生系統(tǒng)包括超短脈沖激光系統(tǒng)，光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，時(shí)間同步裝置，泵浦光和探測(cè)光合束器。在本實(shí)施例中，超短脈沖激光系統(tǒng)產(chǎn)生的超短脈沖激光通過(guò)特定分束比例的分束片，激光被一分為二，分別進(jìn)入極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

所述超短脈沖激光系統(tǒng)包括超短脈沖種子激光，脈沖激光放大器及脈沖激光壓縮器；

進(jìn)入極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的激光聚焦至特定惰性氣體中，激發(fā)產(chǎn)生極紫外超短脈沖激光(即高次諧波)，其包括了多個(gè)波長(zhǎng)的激光。

接著，通過(guò)極紫外超短脈沖單色儀，極紫外超短脈沖激光能夠?qū)崿F(xiàn)在空間上的分離，結(jié)合特定的手段，我們能夠獲得單色的極紫外超短脈沖激光，作為時(shí)間和自旋分辨電子能譜測(cè)量的泵浦光；

進(jìn)入光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的激光通過(guò)非線性晶體被轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)-紅外波段的超短脈沖激光，作為時(shí)間和自旋分辨電子能譜測(cè)量的探測(cè)光。

如圖3所示，材料生長(zhǎng)系統(tǒng)包括分子束外延生長(zhǎng)系統(tǒng)，脈沖激光沉積系統(tǒng)。

所述分子束外延系統(tǒng)，包括適用于多種材料生長(zhǎng)的蒸發(fā)源和觀察樣品晶格結(jié)構(gòu)的裝置。

所述脈沖激光沉積系統(tǒng)，包括適用于多種材料生長(zhǎng)的靶材和觀察樣品晶格結(jié)構(gòu)的裝置。

根據(jù)所要生長(zhǎng)材料樣品種類(lèi)選擇合適的分子束外延生長(zhǎng)裝置或者脈沖激光沉積裝置進(jìn)行超高真空下材料的生長(zhǎng)。

生長(zhǎng)完成的樣品置于真空傳輸系統(tǒng)中的真空樣品輸運(yùn)小車(chē)上，在超高真空管道中輸運(yùn)到掃描隧道電子顯微鏡中進(jìn)行樣品表面原子分布及排列探測(cè)。

探測(cè)完成并滿足實(shí)驗(yàn)需求的樣品經(jīng)由真空樣品輸運(yùn)小車(chē)輸運(yùn)到超高真空管道中真空測(cè)試腔對(duì)應(yīng)位置，再經(jīng)由傳輸桿傳輸?shù)秸婵諟y(cè)試腔內(nèi)樣品固定架上等待測(cè)試。

如圖4所示，極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括極紫外超短脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)和極紫外超短脈沖單色儀。

所述極紫外超短脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)，極紫外超短脈沖單色儀，泵浦光和探測(cè)光合束器，材料生長(zhǎng)及傳輸均在真空系統(tǒng)中。

如圖5所示，時(shí)間和自旋分辨的電子能譜測(cè)試系統(tǒng)包括合束器輸入窗口，真空測(cè)試腔，樣品固定架，半球電子能譜分析儀，掃描電子顯微鏡(STM)。

所述掃描隧道電子顯微鏡，在此系統(tǒng)中該設(shè)備能探測(cè)生長(zhǎng)樣品表面的原子分布及排列，使之達(dá)到實(shí)驗(yàn)需求。

探測(cè)光和泵浦光共同進(jìn)入時(shí)間和自旋分辨的電子能譜測(cè)試系統(tǒng)。探測(cè)光首先要經(jīng)過(guò)時(shí)間同步裝置，通過(guò)裝置中延遲線的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)光和泵浦光在時(shí)間上的延遲。接著，探測(cè)光和泵浦光通過(guò)合束器合束，一起進(jìn)入時(shí)間和自旋分辨的電子能譜測(cè)試系統(tǒng)中的真空測(cè)試腔，并打在測(cè)試樣品上。

泵浦光先到達(dá)樣品，激發(fā)樣品的電子，發(fā)生躍遷等作用。然后經(jīng)過(guò)特定時(shí)間差(可通過(guò)時(shí)間同步裝置來(lái)改變時(shí)間差)，探測(cè)光達(dá)到樣品，探測(cè)樣品內(nèi)電子的躍遷，弛豫情況，分析其超快動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

真空傳輸系統(tǒng)包括超高真空管道，參見(jiàn)本申請(qǐng)人申請(qǐng)的超高真空樣品輸運(yùn)系統(tǒng)，包括超高真空樣品輸運(yùn)小車(chē)和串聯(lián)的超高真空管道和超高真空樣品室，串聯(lián)的超高真空樣品室之間設(shè)有閘板閥片，超高真空樣品室鋪設(shè)軌道；且所述的超高真空樣品輸運(yùn)小車(chē)主要由2個(gè)超高真空樣品存儲(chǔ)臺(tái)，超高真空樣品存儲(chǔ)臺(tái)頂端均設(shè)有固定在樣品存儲(chǔ)臺(tái)的永磁鐵，設(shè)有隔磁金屬板隔離在2個(gè)超高真空樣品存儲(chǔ)臺(tái)之間，超高真空樣品輸運(yùn)小車(chē)下部設(shè)有4-6個(gè)獨(dú)特的小車(chē)導(dǎo)向輪，且小車(chē)導(dǎo)向輪在所述軌道上運(yùn)行，串聯(lián)的超高真空樣品室外表面設(shè)有驅(qū)動(dòng)磁鐵。擁有2個(gè)超高真空樣品存儲(chǔ)平臺(tái)，該超高真空樣品存儲(chǔ)臺(tái)是一個(gè)八面體結(jié)構(gòu)，能同時(shí)裝載16塊樣品進(jìn)行輸運(yùn)。所述2個(gè)固定在超高真空樣品存儲(chǔ)臺(tái)的永磁鐵實(shí)現(xiàn)超高真空樣品小車(chē)在傳送系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，樣品存儲(chǔ)臺(tái)通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸安裝在樣品小車(chē)上。所述小車(chē)導(dǎo)向輪既實(shí)現(xiàn)以最小的阻力在超高真空傳送系統(tǒng)內(nèi)固定的軌道上平滑運(yùn)動(dòng)，又實(shí)現(xiàn)小車(chē)在閘板閥之間的跨越運(yùn)動(dòng)。所述隔磁金屬板通過(guò)在2個(gè)樣超高真空品存儲(chǔ)臺(tái)之間的隔磁金屬隔板排除2個(gè)永磁鐵之間的相互干擾。