Molecular Beam Epitaxy - MBE

Carlo Ottaviani -

Laboratorio IC11

Sede di Roma - Tor Vergata

In un processo di epitassia (dal greco antico έπί, epì, "sopra" e τάξίξ, tàxis, "disposizione tramite ordinamento"), gli atomi o le molecole vengono depositati su un substrato dando vita a particolari strutture che possono evolversi in seguito ad una moltitudine di eventi. Questo è un fenomeno di non equilibrio e ogni possibile crescita sintetizzata, viene governata dalla competizione tra cinetica e termodinamica: l'auto-assemblaggio e l'auto-organizzazione sono modi attraverso i quali le strutture di dimensioni nanometriche, che chiameremo qui nanostrutture, crescono su di una superficie. Nel caso più semplice, la crescita procede in modo bidimensionale (2D), ovvero uno strato atomico dopo l'altro, fino allo spessore di film desiderato. Questo modo è chiamato crescita strato per strato Frank-Van derMerwe (FV). Molto spesso il materiale depositato coalesce in isole/clusters, che ad un primo stadio possono formare uno strato policristallino. Questa crescita é detta di tipo Volmer-Weber: i cristalliti tridimensionali (3D) si formano al momento della deposizione mentre alcune parti della superfice rimangono scoperte. La crescita così detta Stranski-Krastanov è una combinazione dei due precedenti modi: pochi strati possono crescere in modalità FV ancor prima che i clusters 3D inizino a formarsi.
Il cuore dell'apparato MBE risiede nelle celle di effusione Knudsen (chiamate celle K o celle di effusione - K RIBER). Le celle K RIBER sono progettate per raggiungere una temperatura operativa fino a 1200 °C, con crogiuolo costituito da BN pirolitico, o fino a 1400 °C se il crogiolo di BN pirolitico è rivestito di grafite. Il controllo della temperatura delle celle è ottenuto attraverso un dispositivo proporzionale-integrale-derivato (PID), il cui feedback viene fornito da una termocoppia, assicurando così la stabilità della temperatura della cella con un ΔT di pochi °C. Un sistema RHEED basato sulla riflessione-diffrazione di elettroni ad alta energia dalla superficie è accoppiato al sistema MBE e consente di monitorare l'epitassia e/o la cristallinità del film cresciuto.

SPECIFICHE TECNICHE

Pressione base ~10^-11mbar
Celle K (RIBER): Si(C-BN-1400 °C), Ge(BN-1200 °C, Mn(BN-1200 °C); Si (flusso=0.04 Å/min); Ge (flusso=0.16 Å/min);
Celle di effusione Sb, As, Bi;
Celle di effusione Ag, Au;
Riscaldamento del campione per passaggio diretto di corrente (RT-1200 °C) ; Sistema di riscaldamento indiretto (RT-450 °C);
Sistema di trasferimento rapido dei campioni aria-vuoto.

TECNICHE DISPONIBILI

Sistema RHEED STAIB EK-3315-R in ultra alto vuoto per lo studiodella ricostruzione delle superfici (epitassia, grado di cristallinità) con tecniche di diffrazione di elettroni;
Pulizia e ricostruzione atomica delle superfici di semiconduttori (SC) e Metalli (M);
Crescite epitassiali SC/SC, SC/M/SC;
Crescite Omo- e Etero-epitassiali di strutture: Materiali a 1D, 2D e 3D.

CAMPIONI

Dimensioni laterali del campione: 10 x 5 mm (ideale), 3 x 3 mm (minimo), 10 x 10 mm (massimo);
Spessore del campione: ideale fino a 2 mm (spessori più grandi o più piccolo sono anche ammessi).

UTILIZZATO PER

Studi fondamentali di Scienza delle Superfici;
Crescita atomica artificiale epitassiale;
Scoperta di nuove strutture; 1D, 2D e 3D epitassiali SC/SC; M/SC utilizzabili per micro-nanoelettronica e per celle solari;
Semiconduttori per la Microelettronica;
Microcircuiti;
Film ultra sottili;
Pulizia dei campioni;
Stabilità dei film sottili;
Strati barriera;
Lubrificazione;
Industria chimica;
Ricoprimenti/Catalisi

ESEMPI APPLICATIVI

Cross-sectional HRTEM Mn_0.06Ge_0.94on Ge(001)2x1

Sono state studiate le proprietà strutturali, elettroniche e magnetiche del semiconduttore magnetico diluito Mn_0.06Ge_0.94.La crescita è stata realizzata medianteepitassia da fascio molecolare usando una cella di Knudsen di Mn da sulla superficie del Ge(001)2x1 tenuta alla temperatura di 520 K. Sono state ottenute leghe diluite e altamente ordinate, contenenti nano-cristalli di Mn₅Ge₃. Lo spettro di fotoelettroni della banda di valenza di Mn_0.06Ge_0.94 ha mostrato una struttura localizzata a -4,2 eV sotto il livello di Fermi, che è la firma spettrale degli atomi di Mn sostituzionali nella matrice cristallina del Ge. Le misure magnetiche mostrano la presenza di una componente paramagnetica, dovuta agli atomi di Mn sostituzionali e di una componente ferromagnetica dovuta ai nanocristalliti di Mn₅Ge₃. Lo spettro di assorbimento a raggi X L_2,3 del Mn, in questo film polifasico, non mostra una marcata struttura a multipletti, ma un carattere simile a quello di una banda.

Si veda: P. De Padova, et al., Phys. Rev. B 77, 045203 (2008).

Immagine ad alta risoluzione in sezione-trasmessa ottenuta al microscopio elettronico a trasmissione (HRTEM) sul film di Mn_0.06Ge_0.94 cresciuto sul substrato di Ge(001)2✕1 tenuto ad una temperatura di 520 K.

Immagine ad alta risoluzione in sezione-trasmessa ottenuta al microscopio elettronico a trasmissione (HRTEM) di un film di Mn₅Ge₃ cresciuto sul substrato di Ge(111), misurata lungo la direzione di asse di zona [-1-12] del substrato di Ge(111). (b) Vista laterale a sfere e sticks di un'epitassia coerente tra il film di Mn₅Ge₃ e il substrato di Ge.

Mn₅Ge₃ film on Ge(111)

Viene riportato uno studio sulle proprietà strutturali, magnetiche ed elettroniche di films di Mn₅Ge₃ spessi 3 nm cresciuti epitassialmente su una superficie ricostruita di Ge(111)-c (2✕8). La microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione e la diffrazione di elettroni ad area selezionata danno la dimostrazione di una deformazione nel piano compressiva di 2,2% tra il film Mn₅Ge₃ e il substrato Ge. Le misure dell'effetto Kerr magneto-ottico mostrano che i film sono ferromagnetici con una temperatura di Curie di circa 325 K. L'analisi degli spettri fotoelettronici del livello di core del Ge 3d dei films di Mn₅Ge₃ consente di determinare un limite superiore di 76 meV dell’allargamento del tempo di vita media del core-hole del livello di core Ge 3d_5/2. Questo allargamento della durata del tempo di vita media del core-hole del Ge 3d_3/2 risulta essere di 15 meV più grande di quello del Ge 3d_5/2, a causa dell'esistenza di un canale di decadimento Coster-Kronig legato al carattere metallico di Mn₅Ge₃.

Si veda: P. De Padova, et al., Phys. Rev. B 77, 045203 (2008).

Molecular Beam Epitaxy - MBE