本發(fā)明涉及一種先進超快的材料的生長測試一體化系統(tǒng)，涉及信息技術(shù)領(lǐng)域新的科學(xué)問題，涉及到先進材料的生長和原位測量，其中尤為突出的材料的超快過程和自旋的測試。

背景技術(shù)：

信息技術(shù)已經(jīng)進入大數(shù)據(jù)時代，尋找具有能耗低、速度快、密度高，而且安全性好的新型電子器件已成為當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切任務(wù)。開發(fā)基于電子自旋的芯片和存儲器件，從而在新一代信息技術(shù)的變革中搶占先機，對國家的經(jīng)濟發(fā)展具備重要的戰(zhàn)略意義。

薄膜材料生長技術(shù)是新型電子器件的核心技術(shù)，分子束外延生長技術(shù)和脈沖激光沉積技術(shù)是特殊的真空鍍膜工藝，也是目前應(yīng)用于信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)中最頂尖的技術(shù)，為了發(fā)現(xiàn)最新的材料，實驗室往往會利用這些頂尖技術(shù)來真空鍍膜。

分子束外延生長技術(shù)的優(yōu)點是：使用的襯底溫度低，膜層生長速率慢，束流強度易于精確控制，膜層組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。用這種技術(shù)已能制備薄到幾十個原子層的單晶薄膜，以及交替生長不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子顯微結(jié)構(gòu)材料。脈沖激光沉積則是一種利用激光對物體進行轟擊，然后將轟擊出來的物質(zhì)沉淀在不同的襯底上，得到沉淀或者薄膜的一種手段。

很多新型材料對于外界條件的細微變化很敏感，有些特殊性質(zhì)需要在極端條件下測試，但是，目前國內(nèi)尚無儀器設(shè)備能夠同時具有材料生長和原位測量兩大功能，尤其在超快時間分辨光電能譜這一方面尤為缺少。本儀器項目將會填補此空白，同時在光子能量方面進行拓展。

目前國際上最先進的時間自旋分辨電子能譜儀器的激發(fā)光子的能量比較低6–7eV,常見半導(dǎo)體的功函數(shù)4–5eV，不能夠覆蓋整個價帶、導(dǎo)帶及深層的電子。需要發(fā)明一種儀器，這種儀器的優(yōu)勢在于把探測光子能量提高到100eV，從而可以全面地研究各種半導(dǎo)體、金屬、及絕緣材料及器件。

參考文獻：

[1]Einstein,A.,Ann.Physik 31,132(1905).

[2]Brundle,C.R.and Baker,A.D.et al.Vol.1,(Academic Press,New York,1977).

[3]Gierz I,et al.Nature materials,2013,12(12):1119-1124.

[4]Bachrach,R.Z,et al.Vol.1,(Plenum Press,New York,1992).

[5]Strickland D,Mourou G et al.Optics communications,1985,55(6):447-449.

[6]Krause J L,Schafer K J,Kulander K C.Physical Review Letters,1992,68(24):3535.

[7]S,Klenke A,Rothhardt J,et al.Nature Photonics,2014,8(10):779-783。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的：提出先進材料的生長測試一體化系統(tǒng)，在飛秒時間尺度上生長并研究新信息材料的物理過程；引入電子的自旋自由度探測，研究信息材料及器件中的自旋行為。

本發(fā)明技術(shù)方案，先進材料的生長測試一體化系統(tǒng)，包括光源產(chǎn)生系統(tǒng)，真空傳輸系統(tǒng)，材料生長系統(tǒng)以及時間和自旋分辨的電子能譜測試系統(tǒng)；

所述光源產(chǎn)生系統(tǒng)包括極紫外超短脈沖激光系統(tǒng)，光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，時間同步裝置，泵浦光和探測光合束器；

所述時間和自旋分辨的電子能譜測試系統(tǒng)包括：合束輸入窗口；真空測試腔；樣品固定架；半球電子能譜分析儀，掃描電子顯微鏡；

所述材料生長系統(tǒng)包括：第一分子束外延生長系統(tǒng)MBE1；第二分子束外延生長系統(tǒng)MBE2；第一脈沖激光沉積系統(tǒng)PLD1；第二脈沖激光沉積系統(tǒng)PLD2；

真空傳輸系統(tǒng)包括超高真空樣品輸運小車和串聯(lián)的超高真空管道和超高真空樣品室，通過超高真空管道(10^-11mBar)，在生長腔室與能譜探測腔之間來回傳遞；實現(xiàn)不同先進材料的生長和制備。

所述超短脈沖激光系統(tǒng)包括依次連接的超短脈沖種子激光，極紫外超短脈沖激光放大器，脈沖激光壓縮器；極紫外超短脈沖激光單色儀。

所述極紫外超短脈沖激光產(chǎn)生器將高能脈沖激光聚焦至特定惰性氣體產(chǎn)生極紫外脈沖激光，還包括激光聚焦器件，多維調(diào)整機構(gòu)。所述極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括極紫外超短脈沖激光產(chǎn)生器，極紫外超短脈沖激光單色儀；所述極紫外超短脈沖激光產(chǎn)生器，極紫外超短脈沖激光單色儀，泵浦光和探測光合束器及樣品生長傳輸均位于真空系統(tǒng)中。

所述極紫外超短脈沖激光單色儀包括分光光柵、濾波片或者多層鏡，反射鏡及其多維調(diào)整結(jié)構(gòu)。

所述合束輸入窗口指泵浦光和探測光合束器，包括反射鏡、聚焦鏡和多維調(diào)整機構(gòu)。

所述光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，通過非線性晶體將泵浦激光轉(zhuǎn)換至紫外-紅外波段；

所述掃描隧道電子顯微鏡，在此系統(tǒng)中該設(shè)備能探測生長樣品表面的原子分布及排列，使之達到實驗需求；

所述分子束外延系統(tǒng)，包括適用于多種材料生長的蒸發(fā)源和觀察樣品晶格結(jié)構(gòu)的裝置；

所述脈沖激光沉積系統(tǒng)，包括適用于多種材料生長的靶材和觀察樣品晶格結(jié)構(gòu)的裝置；

所述材料的生長傳輸及測量均位于真空系統(tǒng)中，樣品在生長腔室與能譜探測腔之間來回傳遞，而不會暴露在空氣中。這就避免了樣品表面吸附雜質(zhì)或被氧化。

本發(fā)明有益效果：本發(fā)明提供的先進材料的生長測試一體化系統(tǒng)有如下特點：

1)采用所述超短脈沖激光系統(tǒng)，本系統(tǒng)的激光源能夠提供100KHz—1MHz的重復(fù)頻率，大大縮短能譜測量時間，提高能譜信號的信噪比。

2)采用所述超短脈沖激光系統(tǒng)，用戶可以調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率變換器自行改變脈沖重復(fù)頻率。

3)采用所述光源產(chǎn)生系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠高效率產(chǎn)生高能量極紫外探測光子。

4)采用所述光源產(chǎn)生系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠同步極紫外探測光和近紅外泵浦光。

5)采用所述材料生長系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠滿足能譜探測對材料表面潔凈度的要求。

6)采用兩個MBE裝置，本系統(tǒng)能夠滿足不同組分材料的分子束外延生長，同時也保證了樣品不被污染。

7)采用兩個PLD裝置，本系統(tǒng)能夠滿足不同組分材料的脈沖激光沉積生長，同時也保證了樣品不被污染。

8)采用掃描隧道電子顯微鏡裝置，本系統(tǒng)能夠在生長階段探測樣品表面原子分布及排列。

9)采用所述時間和自旋分辨電子能譜測試系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠提高電子自旋探測效率。樣品可以通過真空傳輸系統(tǒng)(10^-11mBar)，在生長腔室與能譜探測腔之間來回傳遞，而不會暴露在空氣中，這不但避免了樣品表面吸附雜質(zhì)或被氧化，而且實現(xiàn)了先進材料的原位測量。本發(fā)明將成為該領(lǐng)域最先進的研究平臺，可以進行超快動態(tài)測量，將被廣泛應(yīng)用于研究各種新一代的電子信息材料與器件。

10)目前國內(nèi)尚無儀器設(shè)備能夠同時具有超快時間分辨、高光子能量、和自旋探測三個方面的功能。本儀器項目將會填補此空白，同時在光子能量方面進行拓展。這種儀器的優(yōu)勢在于把探測光子能量提高到100eV，能全面地研究各種半導(dǎo)體、金屬、及絕緣材料及器件。

附圖說明

圖1為本發(fā)明先進材料的生長測試一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明先進材料的生長測試一體化系統(tǒng)中光源產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明先進材料的生長測試一體化系統(tǒng)中材料生長系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明先進材料的生長測試一體化系統(tǒng)中極紫外脈沖超短脈沖激光產(chǎn)生系統(tǒng)和極紫外超短脈沖激光單色儀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明先進材料的生長測試一體化系統(tǒng)中時間和自旋分辨電子能譜測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

1-光源產(chǎn)生系統(tǒng)；1.1-超短脈沖激光系統(tǒng)；1.2-光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；1.3-極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；1.3.1-極紫外脈沖超短脈沖激光產(chǎn)生系統(tǒng)；1.3.2-極紫外超短脈沖激光單色儀；1.4-時間同步裝置；1.5-泵浦光和探測光合束器；

2-時間和自旋分辨的電子能譜測試系統(tǒng)；2.1-合束輸入窗口；2.2-真空測試腔；2.3-樣品固定架；2.4-半球電子能譜分析儀，2.5-掃描電子顯微鏡；

3-真空傳輸系統(tǒng)；3.1-真空樣品輸運小車；

4-材料生長系統(tǒng)；4.1-分子束外延生長系統(tǒng)MBE1；4.2-分子束外延生長系統(tǒng)MBE2；4.3-脈沖激光沉積系統(tǒng)PLD1；4.4-脈沖激光沉積系統(tǒng)PLD2；

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例僅用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實施例：

如圖1所示，本實施例記載了一種先進材料的生長測試一體化系統(tǒng)，包括光源產(chǎn)生系統(tǒng)，時間和自旋分辨電子能譜測試系統(tǒng)，真空傳輸系統(tǒng)和材料生長系統(tǒng)。光源產(chǎn)生系統(tǒng)和時間和自旋分辨電子能譜測試系統(tǒng)包括超短脈沖激光系統(tǒng)、極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、時間和自旋分辨電子能譜系統(tǒng)；材料生長系統(tǒng)包括分子束外延系統(tǒng)，脈沖激光沉積系統(tǒng)；光源產(chǎn)生系統(tǒng)為時間和自旋分辨的電子能譜測試提供超短脈沖激光。通過自主研發(fā)的材料生長系統(tǒng)，實現(xiàn)原位的樣品生長和測量。樣品可以通過超高真空腔室(10^-11mBar)，在生長腔室與能譜探測腔之間來回傳遞，而不會暴露在空氣中。這就避免了樣品表面吸附雜質(zhì)或被氧化。

如圖2所示，光源產(chǎn)生系統(tǒng)包括超短脈沖激光系統(tǒng)，光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，時間同步裝置，泵浦光和探測光合束器。在本實施例中，超短脈沖激光系統(tǒng)產(chǎn)生的超短脈沖激光通過特定分束比例的分束片，激光被一分為二，分別進入極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

所述超短脈沖激光系統(tǒng)包括超短脈沖種子激光，脈沖激光放大器及脈沖激光壓縮器；

進入極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的激光聚焦至特定惰性氣體中，激發(fā)產(chǎn)生極紫外超短脈沖激光(即高次諧波)，其包括了多個波長的激光。

接著，通過極紫外超短脈沖單色儀，極紫外超短脈沖激光能夠?qū)崿F(xiàn)在空間上的分離，結(jié)合特定的手段，我們能夠獲得單色的極紫外超短脈沖激光，作為時間和自旋分辨電子能譜測量的泵浦光；

進入光學(xué)參量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的激光通過非線性晶體被轉(zhuǎn)換成可見-紅外波段的超短脈沖激光，作為時間和自旋分辨電子能譜測量的探測光。

如圖3所示，材料生長系統(tǒng)包括分子束外延生長系統(tǒng)，脈沖激光沉積系統(tǒng)。

所述分子束外延系統(tǒng)，包括適用于多種材料生長的蒸發(fā)源和觀察樣品晶格結(jié)構(gòu)的裝置。

所述脈沖激光沉積系統(tǒng)，包括適用于多種材料生長的靶材和觀察樣品晶格結(jié)構(gòu)的裝置。

根據(jù)所要生長材料樣品種類選擇合適的分子束外延生長裝置或者脈沖激光沉積裝置進行超高真空下材料的生長。

生長完成的樣品置于真空傳輸系統(tǒng)中的真空樣品輸運小車上，在超高真空管道中輸運到掃描隧道電子顯微鏡中進行樣品表面原子分布及排列探測。

探測完成并滿足實驗需求的樣品經(jīng)由真空樣品輸運小車輸運到超高真空管道中真空測試腔對應(yīng)位置，再經(jīng)由傳輸桿傳輸?shù)秸婵諟y試腔內(nèi)樣品固定架上等待測試。

如圖4所示，極紫外超短脈沖激光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括極紫外超短脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)和極紫外超短脈沖單色儀。

所述極紫外超短脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)，極紫外超短脈沖單色儀，泵浦光和探測光合束器，材料生長及傳輸均在真空系統(tǒng)中。

如圖5所示，時間和自旋分辨的電子能譜測試系統(tǒng)包括合束器輸入窗口，真空測試腔，樣品固定架，半球電子能譜分析儀，掃描電子顯微鏡(STM)。

所述掃描隧道電子顯微鏡，在此系統(tǒng)中該設(shè)備能探測生長樣品表面的原子分布及排列，使之達到實驗需求。

探測光和泵浦光共同進入時間和自旋分辨的電子能譜測試系統(tǒng)。探測光首先要經(jīng)過時間同步裝置，通過裝置中延遲線的改變來實現(xiàn)探測光和泵浦光在時間上的延遲。接著，探測光和泵浦光通過合束器合束，一起進入時間和自旋分辨的電子能譜測試系統(tǒng)中的真空測試腔，并打在測試樣品上。

泵浦光先到達樣品，激發(fā)樣品的電子，發(fā)生躍遷等作用。然后經(jīng)過特定時間差(可通過時間同步裝置來改變時間差)，探測光達到樣品，探測樣品內(nèi)電子的躍遷，弛豫情況，分析其超快動力學(xué)問題。

真空傳輸系統(tǒng)包括超高真空管道，參見本申請人申請的超高真空樣品輸運系統(tǒng)，包括超高真空樣品輸運小車和串聯(lián)的超高真空管道和超高真空樣品室，串聯(lián)的超高真空樣品室之間設(shè)有閘板閥片，超高真空樣品室鋪設(shè)軌道；且所述的超高真空樣品輸運小車主要由2個超高真空樣品存儲臺，超高真空樣品存儲臺頂端均設(shè)有固定在樣品存儲臺的永磁鐵，設(shè)有隔磁金屬板隔離在2個超高真空樣品存儲臺之間，超高真空樣品輸運小車下部設(shè)有4-6個獨特的小車導(dǎo)向輪，且小車導(dǎo)向輪在所述軌道上運行，串聯(lián)的超高真空樣品室外表面設(shè)有驅(qū)動磁鐵。擁有2個超高真空樣品存儲平臺，該超高真空樣品存儲臺是一個八面體結(jié)構(gòu)，能同時裝載16塊樣品進行輸運。所述2個固定在超高真空樣品存儲臺的永磁鐵實現(xiàn)超高真空樣品小車在傳送系統(tǒng)內(nèi)的運動，同時，樣品存儲臺通過旋轉(zhuǎn)軸安裝在樣品小車上。所述小車導(dǎo)向輪既實現(xiàn)以最小的阻力在超高真空傳送系統(tǒng)內(nèi)固定的軌道上平滑運動，又實現(xiàn)小車在閘板閥之間的跨越運動。所述隔磁金屬板通過在2個樣超高真空品存儲臺之間的隔磁金屬隔板排除2個永磁鐵之間的相互干擾。