A epitaxia de feixe molecular (MBE para epitaxia de feixe molecular ) é uma técnica de envio de um ou mais jatos moleculares em direção a um substrato previamente selecionado para fornecer um epitaxial de crescimento . Ele possibilita o crescimento de amostras nanoestruturadas de vários cm 2 a uma taxa de aproximadamente uma monocamada atômica por segundo.
É composto por duas partes essenciais:
O operador quase sempre deseja atingir o crescimento de materiais sólidos à temperatura ambiente.
Para isso, ele coloca os materiais em cadinhos de PNB ( nitreto de boro pirolítico, estável e pouco reativo até 2.000 K) localizados dentro de uma célula de Knudsen.
A temperatura de evaporação deve ser controlada com precisão, pois determina o fluxo molecular que chega na amostra. O crescimento dos materiais deve ser relativamente lento, a fim de evitar que as moléculas evaporadas reajam com outras antes de atingir o substrato. O operador garante que o caminho livre médio ( ) seja maior do que a distância que separa a célula Knudsen do substrato. Na prática, certificamo-nos de que é superior a 1 metro. Se essas condições forem observadas, podemos falar em “jatos moleculares”.
Podemos mostrar isso
ou
No entanto, a densidade de volume de átomos é directamente proporcional à pressão ( ) e à temperatura ( ) de acordo com em que é a constante de Boltzmann .
As células de Knudsen possuem obturadores para controlar o crescimento. O tempo de fechamento dessas venezianas é geralmente inferior a um segundo e, portanto, geralmente inferior ao tempo necessário para criar uma monocamada. O crescimento lento resulta em heterojunções claras em materiais multicamadas.
Também possibilita o controle de uma dopagem homogênea do material.
Também permite medições em tempo real, durante o crescimento ( veja o próximo ponto ).
No entanto, uma taxa de crescimento baixa implica em uma atmosfera muito pura, caso contrário, as impurezas contaminarão a amostra significativamente. Vários sistemas de bombeamento, portanto, retêm uma pressão residual de menos de 10 -8 Pa .
O MBE também permite controlar in situ as condições de crescimento graças à difração de elétrons com alta energia em incidência de pastejo (RHEED). Os diagramas de difração fornecem informações ao vivo sobre o estado da superfície, particularmente nas reconstruções.
As medições em tempo real mais comuns em MBE são:
O crescimento da superfície é um processo dinâmico (não estático). Uma molécula que atinge a superfície não simplesmente adere a ela. Normalmente, as moléculas se difundem graças à sua energia térmica, então um fenômeno de nucleação aparece : os átomos se encontram e se reúnem; sua mobilidade diminui. Outras moléculas poderão se juntar, falamos então de agregação. Globalmente, esses agregados se movem pouco, mas suas bordas são muito móveis (fenômeno conhecido como “espalhamento de borda”.
Além disso, a energia térmica das moléculas pode ser tal que elas saem da amostra: ocorre “ dessorção ”.
Finalmente, alguns agregados podem se separar, isso é então uma dissociação.
Muitos materiais são produzidos hoje pela epitaxia.
Isso é especialmente o caso com certos componentes eletrônicos ou células fotovoltaicas.