一种材料的生长测试一体化系统技术方案

先进材料的生长测试一体化系统，包括光源产生系统，真空传输系统，材料生长系统以及时间和自旋分辨的电子能谱测试系统；所述光源产生系统包括极紫外超短脉冲激光系统，光学参量转换系统，极紫外超短脉冲激光转换系统，时间同步装置，泵浦光和探测光合束器；所述时间和自旋分辨的电子能谱测试系统包括：合束输入窗口；真空测试腔；样品固定架；半球电子能谱分析仪，扫描电子显微镜；所述材料生长系统包括：第一和第二分子束外延生长系统；第一和第二脉冲激光沉积系统；真空传输系统包括超高真空样品输运小车和串联的超高真空管道，通过超高真空管道，在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递；实现不同先进材料的生长和制备。

Integrated system for growing and testing materials

The growth test integration system of advanced materials, including light source system, vacuum transmission system, electronic system, material growth time and spin resolved spectrum testing system; system including extreme ultraviolet ultrashort pulse laser generated by the light source, optical parametric conversion system, extreme ultraviolet ultrashort pulse laser conversion system, time synchronization device, the pump and the probe beam combiner; the electronic time and spin resolved spectrum measurement system can include: a beam input window; vacuum test chamber; sample holder; hemispherical electron energy spectrum analyzer, scanning electron microscope; the material growth system includes: first and second molecular beam epitaxial growth system; the first and second pulse laser deposition system; vacuum transmission system including ultra high vacuum sample transmission ultra high vacuum pipelines and car series, the super The high vacuum pipeline is transmitted back and forth between the growth chamber and the energy spectrum detecting cavity, and the growth and preparation of different advanced materials are realized.

【技术实现步骤摘要】
一种材料的生长测试一体化系统
本技术涉及一种先进超快的材料的生长测试一体化系统，涉及信息
新的科学问题，涉及到先进材料的生长和原位测量，其中尤为突出的材料的超快过程和自旋的测试。
技术介绍
信息技术已经进入大数据时代，寻找具有能耗低、速度快、密度高，而且安全性好的新型电子器件已成为当前信息产业发展的迫切任务。开发基于电子自旋的芯片和存储器件，从而在新一代信息技术的变革中抢占先机，对国家的经济发展具备重要的战略意义。薄膜材料生长技术是新型电子器件的核心技术，分子束外延生长技术和脉冲激光沉积技术是特殊的真空镀膜工艺，也是目前应用于信息技术产业中最顶尖的技术，为了发现最新的材料，实验室往往会利用这些顶尖技术来真空镀膜。分子束外延生长技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子显微结构材料。脉冲激光沉积则是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。很多新型材料对于外界条件的细微变化很敏感，有些特殊性质需要在极端条件下测试，但是，目前国内尚无仪器设备能够同时具有材料生长和原位测量两大功能，尤其在超快时间分辨光电能谱这一方面尤为缺少。本仪器项目将会填补此空白，同时在光子能量方面进行拓展。目前国际上最先进的时间自旋分辨电子能谱仪器的激发光子的能量比较低6–7eV,常见半导体的功函数4–5eV，不能够覆盖整个价带、导带及深层的电子。需要技术一种仪器，这种仪器的优势在于把探测光子能量提高到100eV，从而可以全面地研究各种半导体、金属、及绝缘材料及器件。参考文献：[1]Einstein,A.,Ann.Physik31,132(1905).[2]Brundle,C.R.andBaker,A.D.etal.Vol.1,(AcademicPress,NewYork,1977).[3]GierzI,etal.Naturematerials,2013,12(12):1119-1124.[4]Bachrach,R.Z,etal.Vol.1,(PlenumPress,NewYork,1992).[5]StricklandD,MourouGetal.Opticscommunications,1985,55(6):447-449.[6]KrauseJL,SchaferKJ,KulanderKC.PhysicalReviewLetters,1992,68(24):3535.[7]S,KlenkeA,RothhardtJ,etal.NaturePhotonics,2014,8(10):779-783。
技术实现思路
本技术目的：提出先进材料的生长测试一体化系统，在飞秒时间尺度上生长并研究新信息材料的物理过程；引入电子的自旋自由度探测，研究信息材料及器件中的自旋行为。本技术技术方案，先进材料的生长测试一体化系统，包括光源产生系统，真空传输系统，材料生长系统以及时间和自旋分辨的电子能谱测试系统；所述光源产生系统包括极紫外超短脉冲激光系统，光学参量转换系统，极紫外超短脉冲激光转换系统，时间同步装置，泵浦光和探测光合束器；所述时间和自旋分辨的电子能谱测试系统包括：合束输入窗口；真空测试腔；样品固定架；半球电子能谱分析仪，扫描电子显微镜；所述材料生长系统包括：第一分子束外延生长系统MBE1；第二分子束外延生长系统MBE2；第一脉冲激光沉积系统PLD1；第二脉冲激光沉积系统PLD2；真空传输系统包括超高真空样品输运小车和串联的超高真空管道和超高真空样品室；通过超高真空管道(10-11mBar)，在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递；实现不同先进材料的生长和制备。所述超短脉冲激光系统包括依次连接的超短脉冲种子激光，极紫外超短脉冲激光放大器，脉冲激光压缩器；极紫外超短脉冲激光单色仪。所述极紫外超短脉冲激光产生器将高能脉冲激光聚焦至特定惰性气体产生极紫外脉冲激光，还包括激光聚焦器件，多维调整机构。所述极紫外超短脉冲激光转换系统包括极紫外超短脉冲激光产生器，极紫外超短脉冲激光单色仪；所述极紫外超短脉冲激光产生器，极紫外超短脉冲激光单色仪，泵浦光和探测光合束器及样品生长传输均位于真空系统中。所述极紫外超短脉冲激光单色仪包括分光光栅、滤波片或者多层镜，反射镜及其多维调整结构。所述合束输入窗口指泵浦光和探测光合束器，包括反射镜、聚焦镜和多维调整机构。所述光学参量转换系统，通过非线性晶体将泵浦激光转换至紫外-红外波段；所述扫描隧道电子显微镜，在此系统中该设备能探测生长样品表面的原子分布及排列，使之达到实验需求；所述分子束外延系统，包括适用于多种材料生长的蒸发源和观察样品晶格结构的装置；所述脉冲激光沉积系统，包括适用于多种材料生长的靶材和观察样品晶格结构的装置；所述材料的生长传输及测量均位于真空系统中，样品在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递，而不会暴露在空气中。这就避免了样品表面吸附杂质或被氧化。本技术有益效果：本技术提供的先进材料的生长测试一体化系统有如下特点：1)采用所述超短脉冲激光系统，本系统的激光源能够提供100KHz—1MHz的重复频率，大大缩短能谱测量时间，提高能谱信号的信噪比。2)采用所述超短脉冲激光系统，用户可以调节脉冲重复频率变换器自行改变脉冲重复频率。3)采用所述光源产生系统，本系统能够高效率产生高能量极紫外探测光子。4)采用所述光源产生系统，本系统能够同步极紫外探测光和近红外泵浦光。5)采用所述材料生长系统，本系统能够满足能谱探测对材料表面洁净度的要求。6)采用两个MBE装置，本系统能够满足不同组分材料的分子束外延生长，同时也保证了样品不被污染。7)采用两个PLD装置，本系统能够满足不同组分材料的脉冲激光沉积生长，同时也保证了样品不被污染。8)采用扫描隧道电子显微镜装置，本系统能够在生长阶段探测样品表面原子分布及排列。9)采用所述时间和自旋分辨电子能谱测试系统，本系统能够提高电子自旋探测效率。样品可以通过真空传输系统(10-11mBar)，在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递，而不会暴露在空气中，这不但避免了样品表面吸附杂质或被氧化，而且实现了先进材料的原位测量。本技术将成为该领域最先进的研究平台，可以进行超快动态测量，将被广泛应用于研究各种新一代的电子信息材料与器件。10)目前国内尚无仪器设备能够同时具有超快时间分辨、高光子能量、和自旋探测三个方面的功能。本仪器项目将会填补此空白，同时在光子能量方面进行拓展。这种仪器的优势在于把探测光子能量提高到100eV，能全面地研究各种半导体、金属、及绝缘材料及器件。附图说明图1为本技术先进材料的生长测试一体化系统的结构示意图。图2为本技术先进材料的生长测试一体化系统中光源产生系统的结构示意图。图3为本技术先进材料的生长测试一体化系统中材料生长系统的结构示意图。图4为本技术先进材料的生长测试一体化系统中极紫外脉冲超短脉冲激光产生系统和极紫外超短脉冲激光单色仪系统的结构示意图。图5为本技术先进材料的生长测试一体化系统中时间和自旋分本文档来自技高网...

【技术保护点】
先进材料的生长测试一体化系统，其特征是包括光源产生系统，真空传输系统，材料生长系统以及时间和自旋分辨的电子能谱测试系统；所述光源产生系统包括极紫外超短脉冲激光系统，光学参量转换系统，极紫外超短脉冲激光转换系统，时间同步装置，泵浦光和探测光合束器；所述时间和自旋分辨的电子能谱测试系统包括：合束输入窗口；真空测试腔；样品固定架；半球电子能谱分析仪，扫描电子显微镜；所述材料生长系统包括：第一分子束外延生长系统MBE1；第二分子束外延生长系统MBE2；第一脉冲激光沉积系统PLD1；第二脉冲激光沉积系统PLD2；真空传输系统包括超高真空样品输运小车和串联的超高真空管道和超高真空样品室，通过超高真空管道，在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递。

【技术特征摘要】
1.先进材料的生长测试一体化系统，其特征是包括光源产生系统，真空传输系统，材料生长系统以及时间和自旋分辨的电子能谱测试系统；所述光源产生系统包括极紫外超短脉冲激光系统，光学参量转换系统，极紫外超短脉冲激光转换系统，时间同步装置，泵浦光和探测光合束器；所述时间和自旋分辨的电子能谱测试系统包括：合束输入窗口；真空测试腔；样品固定架；半球电子能谱分析仪，扫描电子显微镜；所述材料生长系统包括：第一分子束外延生长系统MBE1；第二分子束外延生长系统MBE2；第一脉冲激光沉积系统PLD1；第二脉冲激光沉积系统PLD2；真空传输系统包括超高真空样品输运小车和串联的超高真空管道和超高真空样品室，通过超高真空管道，在生长腔室与能谱探测腔之间来回传递。2.根据权利要求1所述的先进材料的生长测试一体化系统，其特征在于，所述超短脉冲激光系统包括依次连接的超短脉冲种子激光，极紫外超短脉冲激光放大器，脉冲激光压缩器...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐永兵，倪志强，聂忠辉，黎遥，何亮，王学锋，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32