科研进展|物质学院翟晓芳课题组建立薄膜粗糙度原位定量分析新方法

在过去几十年间，分子束外延(MBE)及脉冲激光沉积(PLD)等先进薄膜制备技术的发展促进了材料科学研究的繁荣。如今科学研究以及器件应用已不断深入到材料的表面和界面层次，这就对高质量平整薄膜的制备提出了更高的要求。而当前薄膜粗糙度的定量分析主要依赖于非原位的表征手段，如原子力显微镜、扫描透射电子显微镜等，这样相对较低的薄膜制备和质量反馈效率不仅限制了科学研究的效率，一定程度上也制约了薄膜工业的发展。因此，如何实现薄膜粗糙度的原位定量分析是当前亟待攻克的一大技术难题。

反射式高能电子衍射仪(RHEED)是薄膜制备的一个很重要的辅助设备，被广泛应用于薄膜层厚及外延质量的原位监测。然而此前研究并没有将RHEED与薄膜粗糙度定量关联在一起。上海科技大学物质学院翟晓芳课题组从RHEED的基本原理出发，构建了RHEED衍射斑尺寸及不对称性与薄膜粗糙度的定量关系（图1），提出了一套基于RHEED的原位实时定量分析薄膜粗糙度的方法，并通过非原位的原子力显微镜测试验证了该方法的准确性（图2-3）。该方法将极大提高高质量薄膜制备的效率，从而助力薄膜材料科学研究以及薄膜工业的发展。相关研究以“In-situ quantification of the surface roughness for facile fabrications of atomically smooth thin films”为题，发表于知名学术期刊Nano Research。

图1

 (a)粗糙表面的高斯分布示意图

(b-e) RHEED原理示意图

图2 

不同温度下SrTiO₃衬底上生长的LaCoO₃薄膜以及SrTiO₃衬底的RHEED图案及其AFM图案

图3 

(a) 通过本工作提出的RHEED衍射斑分析得到的薄膜粗糙度与常规非原位AFM测试得到薄膜粗糙度的比较

(b) LaCoO₃薄膜生长过程中RHEED衍射斑强度和薄膜粗糙度的实时监测

翟晓芳课题组博士生梁根豪为该论文的第一作者，物质学院助理研究员成龙和翟晓芳教授为共同通讯作者。该项工作得到了上海科技大学启动经费、国家自然科学基金的支持。