摘要: 金属氧化物尤其是岩盐矿结构金属氧化物具有独特的物理与化学性质，一直以来都是新材料应用研究的热点体系。相较于体单晶，氧化物的薄膜结构在科研与应用方面更具有优势，然而高质量单晶薄膜的制备非常困难。分子束外延(Molecular beam epitaxy，MBE... 展开 金属氧化物尤其是岩盐矿结构金属氧化物具有独特的物理与化学性质，一直以来都是新材料应用研究的热点体系。相较于体单晶，氧化物的薄膜结构在科研与应用方面更具有优势，然而高质量单晶薄膜的制备非常困难。分子束外延(Molecular beam epitaxy，MBE)技术具有能在超高真空环境下以远离热平衡态进行薄膜生长的突出优点，能够制备出各种无污染的单晶表面，从而成为制备高质量岩盐矿结构氧化物单晶乃至固溶体合金薄膜的最佳方法之一。本论文的第一部分工作是设计搭建一套用于富氧条件下工作的射频辅助分子束外延(Radiofrequency plasma-assisted MBE，RF-MBE)设备，为制备高质量的氧化物单晶薄膜、探索氧化物薄膜外延生长的物理本质及应用打下良好基础。在此套设备基础上，结合反射式高能电子衍射(Reflection high-energy electron diffraction，RHEED)、透射电子显微(Transmission electron microscopy，TEM)、光发射谱(Optical emission spectrum，OES)等实验手段，系统研究了MgO、CaO及MgO-CaO薄膜的外延生长机理和物性，并对在技术上有重要用途的氮等离子体进行了有益探索。本论文中所开展的工作主要包括以下内容： (1)氧化物的氮掺杂一直是一个重要的课题，在实验上实现氮掺杂的一个前提是活性氮源的获得以及微小掺杂束流的精确控制；为此，笔者利用光发射谱(OES)手段研究了在高真空环境(～10-5mbar)下O2/N2以及Ar/N2混气等离子体的特性。在Ar/N2混气等离子体中(Ar：N2=3：2)观察到了明显的N2裂解增强效应；在射频功率与气压条件不变的条件下在含有稀薄N2气体的O2/N2混气等离子体中(N2含量：0～1％)观察到了随N2比例的微量增加而N原子发射光谱强度的激增现象，这种现象有望被用作为一种能精确控制微量N原子产出的技术。 (2)仔细研究了CaO薄膜在MgO(001)衬底上异质外延生长的过程，通过TEM的观察，笔者发现采用低温缓冲层法能有效地使失配应力在界面附近弛豫，从而实现了平整CaO薄膜的高温外延生长。而在CaO/MgO异质界面附近观察到具有特殊结构的位错与晶格畸变，结合位错产生的能量学与动力学观点，本文将这种应力弛豫机制的本质归结为失配位错在粗糙界面上的产生以及滑移运动的受限。 (3)在获得的高质量CaO衬底上，以较高的生长温度(600℃)制备出了成份连续固溶的MgO-CaO无序合金薄膜，发现其结晶质量、价带结构与晶格常数之间均存在非线性关系，且其晶格振动具有混晶的双模特征。首次直接观察到了MgO-CaO固溶体系经过短时间高温退火所形成的晶格旋节线结构，明确证实了岩盐矿结构离子晶体固溶体薄膜的分解本质确系上坡扩散所致的亚稳分域过程(Spinodal decomposition)而非表面形核长大方式。由于外延生长过程中的扩散运动得到有效抑制，这种固溶体晶格结构具有很强的高温稳定性。 收起