Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) представляет собой метод получения тонких кристаллических плёнок с высокой степенью структурного совершенства. Основанием для процесса служит конденсация атомных или молекулярных потоков на нагретой подложке в условиях сверхвысокого вакуума. Применение данного метода позволяет осуществлять контролируемый рост кристаллов с атомарной точностью, что делает его фундаментальным инструментом в физике и химии твёрдого тела.
В процессе МЛЭ исходные вещества испаряются в специальных ячейках — так называемых клетках Кнудсена, создающих узконаправленные молекулярные пучки. Потоки частиц движутся в направлении подложки практически без столкновений с остаточными газами, благодаря чему достигается высокая чистота и воспроизводимость роста.
Для молекулярно-лучевой эпитаксии характерно давление порядка (10{-10})–(10{-9}) мбар, что на несколько порядков ниже, чем в большинстве других технологий осаждения. Такие условия позволяют исключить примесное загрязнение и увеличить длину свободного пробега молекул, что обеспечивает их прямолинейное движение к поверхности подложки.
Рост эпитаксиальной плёнки начинается с адсорбции атомов или молекул на поверхности подложки. Дальнейший процесс включает несколько стадий:
Послойный рост (режим Франка–ван дер Мерве) обеспечивает наиболее высокое качество кристаллической структуры, что особенно важно для полупроводниковых применений.
МЛЭ позволяет управлять как составом, так и толщиной осаждаемого слоя. Использование нескольких источников испарения обеспечивает возможность создания твёрдых растворов, сверхрешёток и многослойных структур. Толщина слоя контролируется временем открытия и закрытия затворов испарителей, а также интенсивностью потоков.
Для наблюдения за процессом роста применяется методика дифракции быстрых электронов на отражение (RHEED), позволяющая регистрировать характерные осцилляции интенсивности дифракционных максимумов. Эти осцилляции непосредственно связаны с образованием каждого нового атомарного слоя, что делает возможным управление толщиной на уровне отдельных монослоёв.
Метод молекулярно-лучевой эпитаксии широко используется при синтезе соединений III–V и II–VI групп, таких как GaAs, InP, CdTe, ZnSe, а также сложных многокомпонентных систем. Наиболее значимые области применения включают:
Преимуществами метода являются:
К числу ограничений относятся низкие скорости осаждения, необходимость сложного и дорогостоящего оборудования, а также ограниченный масштаб применимости метода для массового производства.
Молекулярно-лучевая эпитаксия представляет собой один из наиболее фундаментальных инструментов для изучения процессов роста кристаллов, межфазных взаимодействий и дефектообразования. Она объединяет физические и химические аспекты взаимодействия атомов с поверхностью и служит базисом для создания новых материалов с заданными свойствами на атомарном уровне.