分子束外延源炉简介

分子束外延源炉 effusion_cells

  源炉的作用：源炉effusion cells、又称Knudsen effusion cells或K-cell，是在分子束外延技术中粒子束流（beam fluxes）的来源，它的工作原理是：在高真空的条件下，通过环绕在坩埚（crucible）上的电阻丝给坩埚加热，促使坩埚内的材料汽化，材料分子从坩埚口（orifices）射出从而提供束流，通过在坩埚下方的热电偶（thermocouple）可以监测坩埚内的温度，在水冷系统（water coolin）和电阻丝的配合下可以调节坩埚内的温度并控制束流的大小。整个源炉包有多层挡板（radiation shield）可以提高加热效率，并使升温更均匀。

 电阻丝

• 最为合适的电阻丝材料是钽(Ta)，因为其易于彻底除气；在加热循环中有足够的韧性不易损坏；可以焊接并电阻率合适。
• 为了保证加热的均匀性（uniformity of heating）可以螺旋式缠绕在坩埚上。

 热电偶

• 用在源炉上的热电偶是W-Re合金，有5%Re的版本和26%Re的版本，这种合金可以在高温下工作并且对性质稳定。
• 为了保证准确的测量坩埚内材料的温度，热电偶被放置在坩埚下方的位置
  

 坩埚

• 坩埚的形状与试管相近，有着不同的材料，如PBN、石墨、$Al_{2}O_{3}$、钨等。为了保证足够的束流强度、并防止粒子因温度下降而在管口凝结堵塞管口，所以坩埚口开的很大，坩埚内并不满足理想的Knudsen condition。

• 最常使用的坩埚材料是热解氮化硼（PBN），PBN是利用化学气相沉积技术，将三氯化硼和氨气在高温下分解，在加热模具上沉积而成，方程式为
  $$BCl_{3}+NH_{3}=BN+3HCl$$
  PBN属于特种陶瓷材料，色白、无毒、无空隙、易加工；高温下蒸汽压低，与大多数金属、化合物不反应，有良好的导热性和抗热震性，有很高的电阻率和介电强度，化学性质稳定，放气量小，耐高温达2200°C。PBN坩埚可用来蒸发III/V族材料，如Ga，In，Al，Si，Be，Cu，Au等
    但是PBN也有它的缺点，试验中观测到Al在加热时会在毛细作用下渗入坩埚中，在降温时收缩使坩埚炸裂。
• 在需要高温操作的源炉中（1900°C以上）有时会使用如蓝宝石（sapphire）、钨等材质，用来加热如Fe，Cr，Ni，Co，Au，Ge等金属。
• 在500°C以下时还会使用石英（quartz）坩埚
• 通过查阅文献我找到了一种同样用于MBE的超纯石墨坩埚，它的优势在于成本更低，但因石墨的天生多孔结构使得它很难除气，在暴露在大气时会吸收外界气体。