LB膜技术 - 图文

LB膜技术

LB膜技术

在适当的条件下，不溶物单分子层可以通过特定的方法转移到固体基底上，并且基本保持其定向排列的分子层结构。这种技术是20世纪二三十年代由美国科学家LLangmuir及其学生K．Blodgett建立的一种单分子膜制备技术，它是将兼具亲水头和疏水尾的两亲性分子分散在水面上，经逐渐压缩其水面上的占有面积，使其排列成单分子层，再将其转移沉积到固体基底上所得到的一种膜。根据此技术首创者的姓名，将此技术称为LB膜技术。习惯上将漂浮在水面上的单分子层膜叫做Langmuir膜，而将转移沉积到基底上的膜叫做Langmuir-Blodgett膜，简称为LB膜。

单分子膜的研究开始于1S世纪，著名的美国政治家B．Franklin访问英国时，在伦敦Clapham做了一个试验，他把一匙油(约2mL)滴在半英亩的池塘水面上，油在风的吹动下迅速地铺展开，而池塘水的波浪却平静下来丁。这可以说是有关LB膜研究最早的科学实验记录。对这一现象科学性的解释直到1890年LRayleigh第一次提出单分子膜概念才得以完成，他利用在水表面上扩展的油膜来研究水的表面张力的规律，成功地估算出这层膜的厚度在1～2nm之间，现在知道，这就是脂肪酸单分子膜的厚度。 1891年九pockels设计了一个水槽，用一个金属障片来压缩控制膜面积，并指出在膜面积达到一定值时，油膜表面张力变化很小。1917年LLangmuir在Pockels槽的基础上改进了实验装置，发展了一种新的膜天平，利用这套装置可以精确测定分子的尺寸和取向，了解分子之间的相互排列和作用。他的研究奠定了单分子层膜的理论基础。1932年Langmuir由于他出色的工作而被授予诺贝尔奖。

1919年在Faraday学会的一次会议上，Langmuir报告了他的实验结果：第一次实现了脂肪酸单分子层从水面向固体基底上的转移，而且这样的单分子层对固体基底的表面性质产生很大的影响。在发言的最后，Langmuir提到大多数的实验工作是由K．Blodgett完成的。1933年，Langmuir和Blodgett重新开始了他们放置了十余年的水面上单分子层的研究工作，1934年Blodgett第一次详细叙述了如何通过单分子层的连续转移来建造多层的组合膜。在随后的实验中，Langmuir和Blodgett验证了很多物质都可以形成多层膜，并使用光学技术来研究膜的性质。Langmuir和Blodgett所建立的单分子膜转移技术和他们有关组合多层膜的研究，在当时吸引了许多科学家投入到这个领域，形成了LB膜研究的第一个高潮。

第二次世界大战爆发后，这项研究中断了。20世纪60年代，德国科学家H．Kuhn首先意识到运用LB膜技术实现分子功能的组装并构造分子的有序体系，他率先在LB膜中引入染料分子进行光谱研究，并开展了单分子膜

组装功能LB膜和能量转移体系的研究。他首次发表的在LB膜中引入具有光活性的染料分子的研究论文，对LB膜研究的发展产生了重大影响，被誉为是划时代的贡献。

在摩擦学领域，Langmuir首次报道脂肪酸单分子层向固体基底的转移，并对固体基体的表面性质产生很大影响的研究结果时，就曾指出这种单分子膜可以减小滑块间的摩擦和磨损。十多年后，Hardy和Beek等又相继发现，长链极性分子的单分子膜可以减小两金属表面相对滑动时的摩擦系数。但这些仅属于有关边界润滑的基础研究。

到了20世纪80年代，LB膜又引起物理学、生物学、电子学、光学、化学、材料科学和摩擦学等领域国内外学者的普遍关注，并在许多方面得到了应用，其在摩擦学领域中的应用研究也有一定的发展。近年来，功能材料的发展带动器件的构造向着小型化、集成化、多功能化和高可靠性的方向发展。LB膜作为高技术领域中的一项新技术，是实现分子组装和纳米尺度润滑的有效方法之一，越来越受到重视。

定义 所谓自组装（self-assembly），是指基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。自组装过程并不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加，而是若干个体之间同时自发的发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体，是一种整体的复杂的协同作用。自组装分类 自组装技术简便易行，无须特殊装置，通常以水为溶剂，具有沉积过程和膜结构分子级控制的优点。可以利用连续沉积不同组分，制备膜层间二维甚至三维比较有序的结构，实现膜的光、电、磁等功能，还可模拟生物膜，因此，近年来受到广泛的重视。 自组装的层/层沉积方式与气相沉积有些相似，但气相沉积是在高真空下使物质主要是可汽化的，能耐高温的无机材料，尤其是金属元素。

分子束外延技术（MBE） 2008-08-28 22:03

分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。主要研究不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体内），由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶体和几种物质交替的超晶格结构。该法生长温度(相对较)低，能严格控制外延层的层厚-组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。

分子束外延是五十年代真空蒸镀制备半导体薄膜材料技术发展而来的，并随着超高真空技术的发展而日臻完善。开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。

分子束外延的优点包括：能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。

从硒整流器诞生以来，真空沉积已广泛应用于半导体薄膜器件的制备上。从二十世纪四十年代起，蒸发铅和锡的硫化物薄膜被广泛研究，直到1964年以前还没有实现优质的外延。1964年Schoolar和Zemel用泻流盒产生的分子束在NaCl上外延生长出PbS薄膜。这也许是现代MBE技术的前奏。直到70年代初期真空设备商品化以后，MBE才得到广泛应用。MBE基本上是真空沉积的一种复杂变种，其复杂程度取决于各个研究工作想要达到的目标。因为是真空沉积，MBE的生长主要由分子束和晶体表面的反应动力学所控制，它同液相外延（LPE）和化学汽相淀积（CVD）等不同，后两者是在接近于热力学平衡条件下进行的。而MBE是在超高真空环境中进行的，如果配备必需的仪器，就能用许多测试技术对外延生长作在位或原位质量评估。

Adsorption of building particles on the surface, surface diffusion of atoms, formation of crystalline lattice,

desorption of particles from the surface.

分子束外延的重要阶段性成果就是掺杂超晶格和应变层结构的出现。掺杂超晶格是一种周期性掺杂的半导体结构。通过周期性掺杂的方法来调制半导体的能带结构。掺杂超晶格的有效制备方法是Delta掺杂技术，该技术就是定义在一个原子平面上进行掺杂。在衬底材料生长停止的条件下，生长一个单原子层的掺杂剂，这个单原子层的杂质通过高温工艺或分凝便形成一个掺杂区，因而界面非常陡峭，二维电子气的浓度和迁移率都增大。用MBE技术，在外延层晶格失配小于某一临界条件下，生长出高质量外延层，这种结构为应变层结构。应变层结构的出现丰富了异质结结构的种类。因为晶格常数匹配的半导体材料很有限，而应

变层结构可使晶格常数相关较大的半导体进行组合，使两种材料都充分发挥各自的优点。应变层结构具有晶格匹配结构的所有优点，可制作量子霍尔器件。

随着MBE技术的发展，出现了迁移增强外延技术（MEE）和气源分子束外延（GS-MEE）技术。MEE技术自1986年问世以来有了较大的发展。它是改进型的MBE。在砷化镓的MBE过程中，使镓原子到达表面后不立即直接与砷原子发生表面反应生长砷化镓层，而是使镓原子在衬底表面具有较长的距离，达到表面台阶处成核生长。它在很低的温度下（200度）也能生长出高质量的外延层，关键性的问题是控制镓和砷的束流强度，否则会影响表面的质量。近年来出现了气源迁移增强外延，为硅基低维材料的制作开辟了新的工艺研究方向。气源GS-MBE技术的发展是为了解决砷和磷束流强度比率难以控制的问题。其特点是继续采用固态 IV族元素和杂质源，再用砷烷和磷烷作为V族元素源，从而解决了用MBE方法生长InP系的主要困难。

MBE作为一种高级真空蒸发形式，因其在材料化学组分和生长速率控制等方面的优越性，非常适合于各种化合物半导体及其合金材料的同质结和异质结外延生长，并在金属半导体场效应晶体管（MESFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、异质结构场效应晶体管(HFET)、异质结双极晶体管（HBT）等微波、毫米波器件及电路和光电器件制备中发挥了重要作用。近几年来，随着器件性能要求的不断提高，器件设计正向尺寸微型化、结构新颖化、空间低维化、能量量子化方向发展。MBE作为不可缺少的工艺和手段，正在二维电子气（2DEG）、多量子阱（QW）和量子线、量子点等到新型结构研究中建立奇功。MBE的未来发展趋势就是进一步发展和完善MEE和GS-MBE。

目前世界上有许多国家和地区都在研究MBE技术，包括美国、日本、英国、法国、德国和我国台湾。具体的研究机构有日本的东京工学院电学与电子工程系，日本东京大学，日本理化研究所半导体实验室，日

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