الترسيب الجزيئي الشعاعي

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
رسم تخطيطي بسيط يوضح تصميم الحجرة الرئيسية في نظام الترسيب الجزيئي الشعاعي
صورة مقربة لجهاز علمي معقد مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ، يحتوي على حجرات تفريغ متعددة، وحواف دائرية، وكابلات، ومنافذ تحمل علامات، مضاءة بإضاءة أرجوانية وحمراء زاهية، مما يوحي بنظام مختبري عالي الدقة مثل معدات الترسيب الجزيئي أو الترسيب الفراغي.
نظام الترسيب الجزيئي الشعاعي في مختبر أبحاث الإلكترونيات بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

الترسيب الجزيئي الشعاعي ( MBE ) هو أسلوب ترسيب أغشية رقيقة من البلورات الأحادية . يُستخدم MBE على نطاق واسع في تصنيع أشباه الموصلات ، بما في ذلك الترانزستورات . [ 1 ] يُستخدم MBE في صناعة الثنائيات وترانزستورات MOSFET ( ترانزستورات تأثير المجال MOS ) بترددات الميكروويف ، وفي تصنيع الليزر المستخدم لقراءة الأقراص الضوئية (مثل الأقراص المدمجة وأقراص DVD ). [ 2 ]

تاريخ

وضع كي جي غونتر الأسس الأولى لعملية الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE). [ 3 ] لم تكن الأغشية التي رسّبها غونتر أغشيةً فوقية، بل رُسّبَت على ركائز زجاجية. مع تطور تقنية الفراغ، أثبت جون ديفي وتيتوس بانكي فعالية عملية الترسيب الجزيئي الشعاعي ، حيث نجحا في تنمية أغشية فوقية من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) على ركائز أحادية البلورة من زرنيخيد الغاليوم باستخدام طريقة غونتر. وقد أُتيح التطور الكبير اللاحق لأغشية الترسيب الجزيئي الشعاعي بفضل دراسات جيه آر آرثر للسلوك الحركي لآليات النمو، وملاحظة ألفريد واي تشو المباشرة لعملية الترسيب الجزيئي الشعاعي باستخدام حيود الإلكترونات عالية الطاقة الانعكاسية (RHEED) في أواخر الستينيات. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

طريقة

تتم عملية الترسيب الجزيئي الشعاعي في فراغ عالٍ أو فراغ فائق ( 10⁻⁸ إلى 10⁻¹² تور ). أهم ما يميز هذه العملية هو معدل الترسيب (عادةً أقل من 3000 نانومتر في الساعة) الذي يسمح للأغشية بالنمو بشكل متناظر (طبقات فوق البلورة الموجودة). تتطلب هذه المعدلات العالية للترسيب فراغًا أكبر نسبيًا لتحقيق نفس مستويات الشوائب التي توفرها تقنيات الترسيب الأخرى. يؤدي غياب الغازات الحاملة، بالإضافة إلى بيئة الفراغ الفائق، إلى أعلى درجة نقاء ممكنة للأغشية النامية.  

جزر من الفضة بسماكة ذرة واحدة مُرَسَّبة على سطح البلاديوم (111) بالتبخير الحراري. يظهر الركيزة، على الرغم من صقلها ومعالجتها حراريًا في الفراغ، على شكل سلسلة من المدرجات. تمت معايرة التغطية بتتبع الزمن اللازم لإكمال طبقة أحادية كاملة باستخدام المجهر النفقي الماسح (STM)، ومن خلال ظهور حالات البئر الكمومي المميزة لسماكة طبقة الفضة في مطيافية الانبعاث الضوئي (ARPES). حجم الصورة 250 نانومتر × 250 نانومتر. [ 7 ]

في تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) باستخدام مصدر صلب، تُسخّن عناصر مثل الغاليوم والزرنيخ ، في صورتها فائقة النقاء، في خلايا انصباب شبه كنودسن منفصلة أو في مبخرات شعاع إلكتروني حتى تبدأ بالتسامي ببطء. ثم تتكثف العناصر الغازية على الرقاقة، حيث قد تتفاعل مع بعضها البعض. في حالة الغاليوم والزرنيخ، يتشكل زرنيخيد الغاليوم أحادي البلورة. عند استخدام مصادر تبخير مثل النحاس أو الذهب، قد تُمتص العناصر الغازية المصطدمة بالسطح (بعد فترة زمنية محددة تقفز خلالها الذرات المصطدمة على السطح) أو تنعكس. كما قد تنفصل الذرات الموجودة على السطح. يتحكم التحكم في درجة حرارة المصدر في معدل اصطدام المادة بسطح الركيزة، بينما تؤثر درجة حرارة الركيزة على معدل القفز أو الانفصال. يشير مصطلح "الشعاع" إلى أن الذرات المتبخرة لا تتفاعل مع بعضها البعض أو مع غازات غرفة الفراغ حتى تصل إلى الرقاقة، وذلك بسبب المسارات الحرة المتوسطة الطويلة للذرات.

أثناء التشغيل، يُستخدم حيود الإلكترونات عالي الطاقة الانعكاسي (RHEED) لمراقبة نمو طبقات البلورات. يتحكم الحاسوب في مصاريع أمام كل فرن ، مما يسمح بالتحكم الدقيق في سُمك كل طبقة، وصولاً إلى طبقة ذرية واحدة. بهذه الطريقة، يمكن تصنيع هياكل معقدة من طبقات مواد مختلفة. وقد أتاح هذا التحكم تطوير هياكل يمكن فيها حصر الإلكترونات في حيز مكاني، مما يُنتج آبارًا كمومية أو حتى نقاطًا كمومية . تُعد هذه الطبقات الآن جزءًا أساسيًا من العديد من أجهزة أشباه الموصلات الحديثة، بما في ذلك ليزرات أشباه الموصلات والثنائيات الباعثة للضوء .

في الأنظمة التي تتطلب تبريد الركيزة، يُحافظ على بيئة فراغ فائقة داخل حجرة النمو بواسطة نظام من المضخات المبردة والألواح المبردة، حيث تُبرّد باستخدام النيتروجين السائل أو غاز النيتروجين البارد إلى درجة حرارة تقارب 77 كلفن (-196 درجة مئوية ). تعمل الأسطح الباردة كمستودع للشوائب الموجودة في الفراغ، لذا يجب أن تكون مستويات الفراغ أفضل بعدة مراتب لترسيب الأغشية في ظل هذه الظروف. في أنظمة أخرى، قد تُثبّت الرقائق التي تُنمّى عليها البلورات على قرص دوّار، يمكن تسخينه إلى عدة مئات من الدرجات المئوية أثناء التشغيل.  

تُستخدم تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) أيضًا لترسيب بعض أنواع أشباه الموصلات العضوية . في هذه الحالة، تُبخر الجزيئات، بدلًا من الذرات، وتُرسب على الرقاقة. ومن بين الأنواع الأخرى تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي باستخدام مصدر غازي ، والتي تُشبه الترسيب الكيميائي للبخار .

نظام الترسيب الجزيئي الشعاعي Veeco Gen II في معهد الفيزياء التابع لأكاديمية العلوم التشيكية . صُمم هذا النظام لنمو أشباه الموصلات أحادية البلورة، والهياكل غير المتجانسة لأشباه الموصلات، ومواد الإلكترونيات الدورانية، وأنظمة المواد المركبة الأخرى التي تحتوي على الألومنيوم ، والغاليوم ، والزرنيخ ، والفوسفور ، والمنغنيز ، والنحاس ، والسيليكون ، والكربون .

يمكن تعديل أنظمة الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) حسب الحاجة. فعلى سبيل المثال، يمكن دمج مصادر الأكسجين لترسيب مواد الأكسيد لتطبيقات إلكترونية ومغناطيسية وبصرية متقدمة. [ 8 ] ويُستخدم شعاع جزيئي من عامل مؤكسد أو غاز أكسجين/جذر/أوزون لتحقيق حالة الأكسدة المطلوبة لأكسيد متعدد المكونات.

الهياكل النانوية الكمومية

من إنجازات الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) البنى النانوية التي تسمح بتكوين أسطح بينية غير متجانسة مسطحة ذريًا وحادة . ومؤخرًا، أتاح بناء الأسلاك النانوية والبنى الكمومية المُدمجة فيها معالجة المعلومات وإمكانية دمجها مع تطبيقات على رقاقة واحدة للاتصالات والحوسبة الكمومية. [ 9 ] لا يمكن بناء ليزرات الأسلاك النانوية ذات البنية غير المتجانسة إلا باستخدام تقنيات MBE المتقدمة، مما يسمح بالتكامل المتجانس على السيليكون [ 10 ] ومعالجة الإشارات بالبيكوثانية. [ 11 ]

عدم استقرار أسارو-تيلر-غرينفيلد

عدم استقرار أسارو-تيلر-غرينفيلد (ATG)، المعروف أيضًا بعدم استقرار غرينفيلد، هو نوع من عدم الاستقرار المرن الذي يُصادف غالبًا أثناء عملية الترسيب الجزيئي الشعاعي. في حال وجود تباين بين أحجام الشبكة البلورية للطبقة النامية والبلورة الداعمة، تتراكم الطاقة المرنة في الطبقة النامية. عند ارتفاع حرج معين، يمكن خفض الطاقة الحرة للطبقة إذا انقسمت إلى جزر معزولة، حيث يمكن تخفيف التوتر السطحي. يعتمد الارتفاع الحرج على معامل يونغ ، وحجم التباين، والتوتر السطحي.

تم بحث بعض التطبيقات لهذا النوع من عدم الاستقرار، مثل التجميع الذاتي للنقاط الكمومية. وتستخدم بعض الأوساط العلمية مصطلح نمو سترانسكي-كراستانوف للإشارة إلى تقنية ATG.

انظر أيضاً

الناس

المواضيع التقنية

ملحوظات

  1. ↑ مكراي، دبليو بي (2007). "يستحق وسام الإمبراطورية البريطانية مكانًا في كتب التاريخ". مجلة نيتشر لتقنية النانو . 2 (5): 259-261 . Bibcode : 2007NatNa...2..259M . doi : 10.1038/nnano.2007.121 . PMID 18654274. S2CID 205442147 .  
  2. ↑ "ألفريد واي تشو" . قاعة مشاهير المخترعين الوطنيين . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 أغسطس 2019 .
  3. ^ غونتر ، كجم (1958/12/01). "Aufdampfschidhten aus halbleitenden III-V-Verbindungen" . Zeitschrift für Naturforschung A. 13 (12): 1081– 1089. بيب كود : 1958ZNatA..13.1081G . دوى : 10.1515/zna-1958-1210 . ردمك 1865-7109 . S2CID 97543040 .  
  4. ↑ ديفي، جون إي؛ بانكي، تيتوس (1968). "أغشية GaAs المترسبة بالتبخير الفراغي". مجلة الفيزياء التطبيقية 39 (4): 1941-1948 . Bibcode : 1968JAP....39.1941D . doi : 10.1063/1.1656467 .
  5. ^ تشو، آي؛ آرثر جونيور (1975). “نضوية الشعاع الجزيئي”. بروغ. كيمياء الحالة الصلبة . 10 : 157– 192. دوى : 10.1016/0079-6786(75)90005-9 .
  6. ^ جوو تشينج وانج. توه مينغ لو (2013). وضع ناقل الحركة RHEED وأشكال القطب . دوى : 10.1007/978-1-4614-9287-0 . رقم ISBN 978-1-4614-9286-3.
  7. ↑ ترونتل، ف. ميكشيتش؛ بليتيكوسيتش، إ.؛ ميلون، م.؛ بيرفان، ب.؛ لازيتش، ب.؛ شوكشيفيتش، د.؛ براكو، ر. (16-12-2005). "دراسة تجريبية وحسابية أولية للخواص التركيبية والإلكترونية لأغشية الفضة ذات السماكة دون النانومترية على Pd(111)". مجلة Physical Review B. 72 ( 23) 235418. Bibcode : 2005PhRvB..72w5418T . doi : 10.1103/PhysRevB.72.235418 .
  8. ↑ ج. بالاكال، أ. أرزومانوف، ر. شي، ز. لي، ن. هاداغي، ت. فاغنر، ت. جيانغ، ي. روان، ج. تشيركاشينين، ل. م. لونا، هـ. تشانغ، ل. ألف، "هندسة الخصائص الكهربائية والبصرية لـ SrNbO3 باستخدام الترسيب الجزيئي الشعاعي للأكسيد"، مواد وظيفية متقدمة، 2025، 2419990، https://doi.org/10.1002/adfm.202419990
  9. ^ ماتا، ماريا دي لا؛ تشو، شيانغ؛ فورتماير، فلوريان؛ تيوبرت، يورغ. جراديتشاك، سيلفيجا؛ إيكهوف، مارتن؛ الأماكن القريبة : أربيول، جوردي (2013). "مراجعة MBE للهياكل الكمومية 0D و 1D و 2D في أسلاك متناهية الصغر" . مجلة كيمياء المواد ج . 1 (28): 4300. بيب كود : 2013JMCC....1.4300D . دوى : 10.1039/C3TC30556B .
  10. ↑ ماير، ب.؛ جانكر، ل.؛ لويتش، ب.؛ ترو، ج.؛ كوستنبادر، ت.؛ ليختمانيكر، س.؛ رايشرت، ت.؛ موركوتر، س.؛ كانيبر، م.؛ أبسترايتر، ج.؛ جيس، س.؛ كوبلمولر، ج.؛ فينلي، ج. ج. (2016). "ليزر الأسلاك النانوية عالي بيتا المتكامل أحاديًا على السيليكون". رسائل نانو . 16 (1): 152-156 . Bibcode : 2016NanoL..16..152M . doi : 10.1021/acs.nanolett.5b03404 . PMID 26618638 . 
  11. ↑ ماير، ب.، وآخرون. "التزامن الطوري المتبادل طويل الأمد لأزواج النبضات البيكوثانية المتولدة بواسطة ليزر سلك نانوي شبه موصل" . نيتشر كوميونيكيشنز 8 (2017): 15521.

مراجع

للمزيد من القراءة

  • فريجيري، ب. سيرافالي، L.؛ تريفيسي، G .؛ فرانكي، س. (2011). “3.12: شعاع الشعاع الجزيئي: نظرة عامة”. في بالاب بهاتاشاريا؛ روبرتو فورناري؛ هيروشي كاميمورا (محرران). علوم وتكنولوجيا أشباه الموصلات الشاملة . المجلد.  3. أمستردام: إلسفير. الصفحات من 480 إلى 522. دوى : 10.1016/B978-0-44-453153-7.00099-7 . رقم ISBN  978-0-444-53153-7.