本文純屬科幻廚房實(shí)錄，家庭廚房請(qǐng)勿模仿！

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常言道：巧婦難為無米之炊。冷灶空鍋怎煮飯？炒菜得先有鍋。分子束外延此“鍋”非彼鍋，乃一口“超高真空鍋”。

這口“鍋”非同凡響：無應(yīng)力不銹鋼打造，結(jié)構(gòu)精密，還自帶“冷凍夾心”——灌滿液氮，溫度直逼-196℃！

這口“鍋”可以做什么？制作夏日冰飲？No No No~進(jìn)入“鍋”中，亂竄的氣體分子統(tǒng)統(tǒng)被“凍僵”，乖乖貼在鍋壁上，就像是一層“物理特粘層”。（溫馨提示：超低溫的鍋壁就像東北冬天的鐵柵欄，萬(wàn)萬(wàn)舔不得！）

-196℃的液氮。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

但……總有些“頑固分子”，在液氮的-196℃“教育”下都不怕？呵，那就要請(qǐng)出更狠的“冷泵”坐鎮(zhèn)了。極速降溫低至-260℃左右，吭哧吭哧24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，吸附力綿綿不絕，專治各種不服！

冷凍吸附是打造至純至凈的“烹飪”環(huán)境的其中一招。對(duì)“納米晶體佳肴”的烹飪而言，任何微小的氣體雜質(zhì)，都會(huì)摧毀佳肴的完美“口感”。只有在這極致潔凈的“鍋”里，原子/分子束才能像聽話的調(diào)料，精準(zhǔn)無誤地撒向目標(biāo)。

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因此除了冷凍吸附，優(yōu)秀的科研“廚師”特邀“真空三劍客”前來助陣 ↓↓↓

排氣先發(fā)力

分子泵搭檔機(jī)械泵，任勞任怨二人組。從大氣壓強(qiáng)一路高歌猛進(jìn)，抽到超高真空！

電離吸附

高壓一開，氣場(chǎng)全開！管你是氧氣、氮?dú)膺€是二氧化碳，統(tǒng)統(tǒng)像罰站的小學(xué)生一樣，被牢牢吸附在鍋壁上。

升華吸附

再撒點(diǎn)“鈦升華蜜糖”！吸引力超強(qiáng)，讓“鍋”內(nèi)絕無漏網(wǎng)之魚。

排氣、吸附、冷凍，真空三劍客

排氣、吸附、冷凍，三管齊下，只為滿足分子束外延“烹飪”環(huán)境的至純要求。

分子束外延的“食材”，純度要求更是高得離譜。足硅？千足硅？萬(wàn)足硅？統(tǒng)統(tǒng)不夠看。“百萬(wàn)足純”才是基本門檻！

食材種類也相當(dāng)豐富：硅(Si)、鍺(Ge)、鎵(Ga)、鋁(Al)、砷(As)等這些一代二代半導(dǎo)體材料元素是“主菜”； 磷(P)、硼(B)、鈹(Be)等則是提味的“精妙調(diào)料”。

硅樣片

這些“金貴”的食材存放在特制的超純“坩堝”（銅、石墨或熱解氮化硼制成）里，集成在真空“鍋”內(nèi)。

MBE大廚通過精準(zhǔn)調(diào)控坩堝溫度，讓食材或升華或蒸發(fā)，化作一束束方向精準(zhǔn)、速率可控的“分子束”——這就是“分子束外延”名字的由來。

“科學(xué)家大廚”只需動(dòng)動(dòng)手指，控制溫度和“快門擋板”的開合時(shí)機(jī)，就能精確決定：下哪種料、下多少、何時(shí)下，堪比納米級(jí)掂勺！

這口鍋的“鍋底”（專業(yè)叫法：襯底），通常是一片薄薄的，一盤菜一換的單晶圓片。烹飪時(shí)，鍋底通常被加熱得紅彤彤的。當(dāng)“食材”分子束飛向這熱鍋底時(shí)，受熱激發(fā)，便在表面“閃轉(zhuǎn)騰挪”（表面擴(kuò)散），哪兒最舒服（能量最低），就在哪兒“安家落戶”（形核結(jié)晶）。

火候控制通常是頂級(jí)大廚的秘訣。鍋底火太小，食材、調(diào)料擴(kuò)散不開，分布不均，“菜”夾生難熟，口感粗糙。鍋底火太大，食材直接“燒焦”——分解、脫附或偏析，前功盡棄。唯有精準(zhǔn)掌控鍋底溫度和食材投放量，才能讓原子一層層優(yōu)雅堆疊，最終“炒”出原子級(jí)平整、界面陡峭的量子阱“納米三明治”、超晶格“納米榴蓮千層”等復(fù)雜“納米結(jié)構(gòu)大餐”。

原子級(jí)別的SiGe/Si/SiGe納米三明治

傳統(tǒng)炒菜看火候、看賣相，MBE烹飪則能“全程直播”！熱電偶/紅外溫度計(jì)實(shí)時(shí)匯報(bào)坩堝和鍋底的“體溫”。四極質(zhì)譜儀像空氣檢測(cè)員，揪出真空里殘留的“漏網(wǎng)雜質(zhì)分子”——還剩幾只幾條，門兒清。反射式高能電子衍射，這是MBE大廚的“電眼金睛”！它發(fā)射電子束“掠視”鍋底表面，被規(guī)則排列的原子“散射”，形成獨(dú)特的衍射條紋。這盤“菜”炒得好不好？看看條紋的清晰度、振蕩變化就知道——實(shí)時(shí)反饋，精準(zhǔn)調(diào)控。

電眼金睛

分子束外延，堪稱一門在超高真空“神鍋” 內(nèi)，以極致純凈的原子為食材，憑借納米級(jí)火候掌控與電眼金睛等實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)精雕細(xì)琢的“納米烹飪術(shù)”。它已成為當(dāng)代“科學(xué)家大廚”手中不可或缺的看家本領(lǐng)，正在實(shí)驗(yàn)室這片神奇廚房里，不斷“翻炒”出一道道精妙絕倫的“納米科技菜肴”。

用精準(zhǔn)火候炒出的“量子點(diǎn)”、“量子阱”激光器，能激發(fā)各色“霓虹”，讓信息的“滋味”飛速傳遞，烹出萬(wàn)物互聯(lián)的盛宴；一層層堆疊出來的納米薄膜，則成了最敏銳的“味覺傳感器”，無論是在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療，還是深空探測(cè)中，都能品出最細(xì)微的“世界之味”。分子束外延這場(chǎng)“納米廚房革命”，將人類對(duì)物質(zhì)的掌控推向了原子級(jí)別的藝術(shù)境界。它端出的不僅是一道道科研“樣品”，更是整個(gè)信息時(shí)代、量子時(shí)代，乃至未來新材料的“饕餮盛宴”。這口“超高真空神鍋”中翻滾的，是人類對(duì)物質(zhì)最深層的理解與掌控——

一口鍋，一世界，炒未來。

松山湖材料實(shí)驗(yàn)室半導(dǎo)體異質(zhì)材料與器件中心，8英寸分子束外延設(shè)備

撰稿：張結(jié)印-半導(dǎo)體異質(zhì)材料與器件中心

部分圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

來源：松山湖材料實(shí)驗(yàn)室

原標(biāo)題：科普UP丨如何用分子束外延炒一盤“納米菜肴”？

編輯：Decoherence

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