Author Affiliations
Abstract
1 Laboratory of Solid State Optoelectronics Information Technology, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
2 College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101804, China
3 School of Physics Science and Technology, Xinjiang University, Urumqi 830046, China
4 School of New Energy and Electronics, Yancheng Teachers University, Yancheng 224002, China
5 Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Devices, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
Ex situ characterization techniques in molecular beam epitaxy (MBE) have inherent limitations, such as being prone to sample contamination and unstable surfaces during sample transfer from the MBE chamber. In recent years, the need for improved accuracy and reliability in measurement has driven the increasing adoption of in situ characterization techniques. These techniques, such as reflection high-energy electron diffraction, scanning tunneling microscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy, allow direct observation of film growth processes in real time without exposing the sample to air, hence offering insights into the growth mechanisms of epitaxial films with controlled properties. By combining multiple in situ characterization techniques with MBE, researchers can better understand film growth processes, realizing novel materials with customized properties and extensive applications. This review aims to overview the benefits and achievements of in situ characterization techniques in MBE and their applications for material science research. In addition, through further analysis of these techniques regarding their challenges and potential solutions, particularly highlighting the assistance of machine learning to correlate in situ characterization with other material information, we hope to provide a guideline for future efforts in the development of novel monitoring and control schemes for MBE growth processes with improved material properties.
epitaxial growth thin film in situ characterization molecular beam epitaxy (MBE) Journal of Semiconductors
2024, 45(3): 031301
1 空军航空大学 航空作战勤务学院, 长春 130022
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院天基动态快速光学成像技术重点实验室, 吉林 长春 130033
为了实现窄带完美吸收，本文提出了一种简单的三层金-二氧化硅-金薄膜(MDM)结构。通过电磁波时域差分算法(FDTD)进行模拟仿真和理论计算，详细分析了该结构的可调谐吸收特性，同时建立了理论模型，分析了其中存在的电磁模式以及窄带完美吸收的物理机制。首先，利用电磁波时域差分算法和传输矩阵算法(TMM)对该结构进行了理论计算，详细地分析了各个结构参数对吸收光谱的影响。然后，对该结构形成的窄带完美吸收物理机制进行了分析讨论。最后，利用磁控溅射制备手段，成功制备了三层结构的样片。实验观测到的结果与理论仿真一致。实验结果表明：本文提出的窄带完美吸收结构，最窄带宽约为21 nm，最高吸收可达99.51%，基本实现了窄带完美吸收。本文研究成果为相关应用奠定了基础。
薄膜 完美吸收 超薄薄膜 thin film perfect absorber ultrathin film
西安应用光学研究所光学薄膜技术研究室，陕西 西安 710065
超构表面（metasurfaces）是一种新型的人工二维平面阵列结构，通过合理设计亚波长纳米结构单元及排布可以实现对空间光场的调控，有望从原理层面上颠覆传统的透镜元件。然而，目前透射型超构表面普遍存在光学效率低的问题，制约着其应用和发展。首次提出了光学薄膜结合超构表面提高光能利用率的设想，期望超构表面结合光学薄膜的结构在不影响超构表面光学特性的基础上，可以显著地提高其光学效率。为了验证这一策略的有效性，仿真模拟了石英基底近红外宽波段的硅纳米块超构表面透镜，并与设计有光学薄膜的超构表面进行了对比。模拟结果表明：光学薄膜对超构表面的聚焦性能没有影响，但可以显著提高超构表面的光学透过率；在1450~1600 nm波段，平均透过率提高了10.5%以上，聚焦效率平均提高了8.3%以上。所提方法为超构表面器件设计带来了新的思路。
超构表面 光学薄膜 硅纳米块 透过率 光学学报
2024, 44(10): 1026032
1 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室暨教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
3 浙江大学信息与电子工程学院，浙江 杭州 310027
自适应温度调控器件以其智能开关特性而逐渐成为研究焦点，但是一方面其特殊的光谱要求使得器件设计过程复杂且周期冗长，另一方面器件热控性能亟待提高以满足更加严苛的应用场景。针对以上问题，提出一种深度生成神经网络模型来执行上述复杂的优化任务，该网络模型的更新不依赖于数据集，而是将生成神经网络与传输矩阵方法（TMM）相结合，通过TMM返回的梯度信息指导产生符合预期的多层膜结构，并自动优化膜层厚度和材料种类。作为网络优化能力的验证和演示，本课题组使用该方法设计了一种基于二氧化钒的自适应热控器件，实现了高温太阳吸收比低于0.2、高温发射率高于0.9、发射率差值大于0.8的优异性能。与传统的优化算法相比，生成神经网络以高自由度和更快的速度寻找最优解，与普通神经网络相比，全局优化网络考虑整体的优化目标，通过全局搜索寻找全局最优解，设计结果也证明了该方法在复杂设计任务中的实用性。
薄膜 多层膜 神经网络 自适应温度调控 二氧化钒
1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 西北核技术研究所，陕西 西安 710024
3 西安近代化学研究所，陕西 西安 710065
为实现冲击波动态信号的测量，研制了一种光纤端面镀金-派瑞林-金三层结构的薄膜式光纤法布里-珀罗压力传感器。对该传感器进行了理论分析与仿真，搭建了静态和动态压力测量系统，并对其进行测试与分析。结果表明：在0~60 MPa的静态压力测量范围内，传感器的波长灵敏度和腔长灵敏度分别为0.0809 nm/MPa和0.3200 nm/MPa，与仿真结果一致；在动态压力测量中，传感器成功捕捉到了压力峰值为7.41 MPa和上升时间为75 ns的冲击波信号。
光纤传感器 法布里-珀罗腔 薄膜 压力测量
1 吉林建筑大学 寒地建筑综合节能教育部重点实验室，吉林 长春 130118
2 吉林建筑大学 电气与计算机学院，吉林 长春 130118
为了提高薄膜晶体管的性能，本文基于射频磁控溅射技术，采用氧化锌锡（ZTO）材料作为沟道层，在SiO2/p-Si衬底上制备高性能ZTO薄膜晶体管。采用AFM、XRD、UV-Vis研究了溅射功率对ZTO薄膜的表面形貌和光学性能的影响。使用半导体参数仪对ZTO薄膜晶体管进行电学性能的测试，利用XPS分析研究溅射功率对ZTO薄膜中元素组成和价态的影响，探索高性能薄膜晶体管的原理机制。实验结果表明，所有ZTO薄膜样品是非晶结构，表面致密，透光率均大于90%。适当增加溅射功率能够改善ZTO薄膜晶体管的电学性能。在90 W溅射功率下制备的薄膜晶体管综合性能较好，其饱和迁移率达到了15.61 cm2/（V·s），亚阈值摆幅为0.30 V/decade，阈值电压为-5.06 V，电流开关比为8.92×109。
薄膜晶体管 溅射功率 XPS分析 ZTO薄膜 thin-film transistor sputtering power XPS analysis ZTO thin film
Author Affiliations
Abstract
1 School of Physics and Materials Science Nanchang University Nanchang 330031, P. R. China
2 School of Materials Science and Engineering Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, P. R. China
Flexoelectric effect describes the electromechanical coupling between the strain gradient and its internal polarization in all dielectrics. Despite this universality, the resulting flexoelectric field remains small at the macroscopic level. However, in nanosystems, the size-dependent effect of flexoelectricity becomes increasingly significant, leading to a notable flexoelectric field that can strongly influence the material’s physical properties. This review aims to explore the flexoelectric effect specifically at the nanoscale. We achieve this by examining strain gradients generated through two distinct methods: internal inhomogeneous strain and external stimulation. In addition, advanced synthesis techniques are utilized to enhance the properties and functionalities associated with flexoelectricity. Furthermore, we delve into other coupled phenomena observed in thin films, including the coupling and utilization of flexomagnetic and flexophotovoltaic effects. This review presents the latest advancements in these areas and highlights their role in driving further breakthroughs in the field of flexoelectricity.
Flexoelectric effect strain gradient polarization nano-thin film flexomagnetic flexophotovoltaic Journal of Advanced Dielectrics
2024, 14(1): 2330001
1 东南大学生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210096
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
提出一种基于X射线吸收光谱（XAS）的全能谱拟合方法，先通过样品元素的衰减系数曲线和射线源的本底能谱曲线获得样品的理论吸收能谱，再将理论吸收能谱与实际穿过样品的吸收能谱进行拟合，由退火算法计算得到薄膜样品的元素面密度值。该方案有效降低了噪声与探测器响应函数引入的误差。实验结果表明，系统在单元素下的测量结果重复测量标准偏差较小，测量不确定度在10-4 g/cm2量级，且能进行多元素薄膜面密度的测量，满足惯性约束聚变实验中对金属薄膜无损与高稳定的测量需求。
X射线吸收光谱 金属薄膜 面密度 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0512003
1 西安电子科技大学杭州研究院，浙江 杭州 311231
2 西安电子科技大学光电工程学院，陕西 西安 710071
3 上海应用技术大学理学院，上海 201418
在金属铂和非晶硅构成的复合薄膜上，观察到了在斜入射条件下由s偏振激光诱导产生的、具有氧化周期性结构的、远离中轴线且外侧结构倾斜的周期性结构。首先，稳态照射下产生的条纹结构呈叶脉状，既不平行也不垂直于激光偏振方向；其次，动态扫描时产生的结构取向单一且与扫描方向有关；最后，结构周期随着入射角的增大而减小。这几个现象均与通常的激光烧蚀周期性结构不同。这些发现为调控激光诱导自组织提供了更多可能性。
激光诱导周期性表面结构 斜入射 纳米光栅 金属-半导体复合薄膜 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0314001
