[发明专利]一种金红石型110取向TiO2

说明书

本发明属于单晶表面处理领域，具体涉及一种金红石型110取向TiO₂单晶的处理工艺，通过此工艺流程能够将金红石型110取向TiO₂单晶处理出原子级台阶，台阶的高度与平整性均达到高质量薄膜生长的工艺要求。具体实施需要的设备包括超声波清洗仪和管式炉，流程包括有机溶剂超声波清洗、强酸刻蚀、氧氛围下退火。该流程能够在高效且低成本的方式下得到平整的金红石型110取向TiO₂单晶表面，并且通过严格控制合适的刻蚀时间和退火温度，能够在大的斜切角平面内，得到平整的原子台阶。该工艺能够解决单晶切割质量较低时，无法获得高质量的原子级平整台阶的问题。

技术领域

本发明属于单晶表面处理领域，具体涉及的工艺流程是用来处理单晶的，目的在于获得平整的原子面，可以用于生长高质量薄膜晶体和界面的衬底处理、光催化性能材料研究的金红石型110取向TiO₂单晶处理工艺。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)是一种常用的薄膜生长衬底材料。在自然界中存在三种稳定结构，分别为金红石相，锐钛矿相以及板钛矿相。金红石相TiO₂相比其他两种结构较为稳定，耐高温以及耐酸碱性较好。近年来有人利用扫描隧道显微镜进行TiO₂表面分子研究，为超高真空制备干净平整的TiO₂表面是需要的。在过渡金属氧化物表面科学领域，TiO₂也是重要的材料体系。对于具有金红石型结构的AB₂型化合物的氧化物研究，薄膜的外延生长领域通常会选择结构相似、晶格匹配度高的材料来作为衬底。金红石型TiO₂单晶衬底在科研和生产活动中的价值高，用量大，用简化的工艺流程处理国产单晶以降低生产成本是非常必要的。

以TiO₂单晶衬底在科研领域中的运用为例。目前有较高研究价值的磁性半金属二氧化铬，其结构为金红石结构，晶格常数与二氧化钛相近，在前人所做的诸多研究中，大多会选用金红石相二氧化钛作为衬底或者缓冲层。二氧化铬在理论计算中，被预测具有非平庸的拓扑表面态，实现拓扑超导态，在双层的二氧化铬薄膜中能够观察到马约拉纳零能模，它的反粒子就是它自己。拓扑超导态是物质的一种新状态，有别于传统的超导体，拓扑超导体的表面存在厚度约1nm的受拓扑保护的无能隙的金属态，内部则是超导体。如果把一个拓扑超导体一分为二，新的表面又自然出现一层厚度约1纳米的受拓扑保护的金属态。这种奇特的拓扑性质使得拓扑超导体被认为是永远不会出错的量子计算机的理想材料。

高质量的二氧化铬薄膜的实现需要以二氧化钛作为衬底，简易的处理工艺能够提供快速高效的方法以获得平整的原子台面，此工艺对于金红石型氧化物的研究有重要的应用价值。金红石相二氧化钛的处理方法直接关系到所获得样品表面的质量与性能，根据前人实验结果可知，对于不同取向的金红石二氧化钛的处理条件也是各不相同的，通用的环节都是包括有机清洗、酸刻蚀和退火三大步骤，但每种取向酸洗和退火条件的相互配合直接决定了处理后所获得的样品质量。目前对于处理二氧化钛的现有技术主要有两类：有机清洗+退火、酸刻蚀+退火^[1,2]。

现有问题：在实际的实验过程中，对于金红石相(110)方向的二氧化钛，在预处理过程中，酸洗时间与退火温度和保温时间的具体组合时间没有明确的工艺细节；其次，对于需要完美表面来完成表征的实验，现有技术都需要采购昂贵的进口高质量(斜切角小)单晶，进行后续处理。对于斜切角大于0.3°的单晶，处理后始终不能得到完美的原子台阶，不能用于生长高质量的薄膜。进口单晶的价格是国产单晶的20倍，极大的提高了生产成本。

发明内容

本发明公开了一种金红石型110取向TiO₂单晶的处理工艺，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种金红石型110取向TiO₂单晶处理工艺，所述工艺具体包括以下步骤：