今日（9月19日）下午，首届“未来科学大奖”揭晓，其中的“物质科学奖”由中国科学院院士、清华大学物理系教授、清华大学副校长薛其坤获得。该奖由“未来论坛”发起设立，是中国首个民间科学奖项，单项奖金高达100万美元。

　　薛其坤2013带领研究团队在国际上首次从实验上观测到量子反常霍尔效应。近几年来，薛其坤团队首次把分子束外延技术用于铁基高温超导研究，发现了一类全新的低维高温超导体系，使界面超导成为高温超导领域的全新研究热点。这也是薛其坤获得今日大奖的理由。

　　分子束外延生长技术发展于上世纪六、七十年代，是一种可以在原子尺度上精确设计和控制量子材料的强大武器。近年来，它不仅被广泛应用于各种前沿研究，更是全方位地改变了人类生活。《赛先生》于今之际特别推出薛其坤教授的科普文章，请他带我们一探分子束外延生长的奥秘。

　　撰文薛其坤

　　编辑秋水

　　“东家之子，增之一分则太长，减之一分则太短，着粉则太白，施朱则太赤”，这是两千多年前楚国小鲜肉宋玉在《登徒子好色赋》中对一个东方美女的经典描绘。如今，借助高科技电脑合成技术，科学家向我们呈现了这样一副完美的东方面孔（图1）。

　　图1， 电脑合成的完美的东方女性面孔

　　古往今来，对于美好事物的追逐和精益求精是人类得以繁衍生息的驱动力。人们常说，差之毫厘，谬之千里。新型量子材料性质的改变可以说是发生在原子级的尺度上，也就是“毫厘”的百万甚至千万分之一！因此，在纳米甚至原子尺度上精确设计和控制量子材料就成为现代科学研究最关键的技术之一。发展于上世纪六、七十年代的分子束外延（Molecular beam epitaxy, MBE）生长技术就是这样一个可以从原子（构成物质的最小单元）层面构建量子世界的强大武器，其对材料的控制能力完全达到了宋玉对东方美女所描绘的那种意境。

　　1968年，美国贝尔实验室的J. R. Arthur 和A. Y. Cho（卓以和）在超高真空中研究 Ga 与 As2 在 GaAs 晶体的表面吸附时意外发现，Ga 原子的存在会促进 As 在表面的吸附。进一步增加 As2，会使得在 GaAs 表面生长出高质量的 GaAs 薄膜。这一发现立刻引起了轰动，要知道在那个年代，无数的科学家正为如何得到严格化学配比的 III－V 族半导体包括 GaAs 而绞尽脑汁。

　　世间最纯净的“喷画”

　　分子束外延生长，顾名思义，就是使组成目标样品的原子或分子定向运动到目标衬底（一般为有确定晶向的单晶）上，并使其按照衬底的晶体结构进行生长。具体到 GaAs，就是使单质的 Ga 与 As分别形成原子束或分子束，然后在合适衬底上相遇并反应形成 GaAs。如何获得定向运动的原子或分子束呢？类似于加热烧杯中的水，对靶材加热，就可以蒸发出原子或分子。但这还不够，当我们加热一杯水时，一个熟悉的场景是，水蒸气很快就被空气中的粒子散射，传播距离有限。因此，生长进行的环境一定要是超高真空，对 MBE 而言，通常需要比大气压低10-13倍以上的真空。只有在这样“超净”的环境中，才能有效的减小靶材原子或分子在到达衬底之前与环境气体的碰撞，形成准直的分子束。那么如何保证原子或分子在衬底表面反应并形成外延生长呢？这里的另一个关键就是衬底的温度。可以想象，如果衬底温度过低，原子或分子到达衬底后不能充分迁移、反应和晶化，肯定无法获得好的外延生长；反之，如果衬底温度太高，到达衬底的原子，特别是分子，极易发生脱附，这不但导致较低的生长速率，更严重的是非化学配比薄膜的形成。为了制备组分精确且组分突变的半导体材料，如超晶格和异质结，我们还需要精确控制各个蒸发源的温度。PID 控制器（比例-积分-微分控制器）的发展使我们对温度的控制精度达到了1°C 以内，这对获得组分精确可控的半导体材料、异质结和超晶格起到了奠基的作用。

　　为了保证半导体器件的性能，半导体材料必须要做得非常的纯，往往几百万原子中才允许有一个杂质。要做到这一点，MBE 生长不但要在超高真空中进行，而且用作蒸发源的原材料的纯度也必须要非常高。以用途最广泛的化合物半导体 GaAs 为例，As 源材料的纯度一般为99.9999%（6N）或者99.99999%（7N），Ga 源材料的纯度要在99.9999%（6N）以上。如用作集成电路和微波器件，Ga 的纯度甚至要达到99.999999%（8N）以上。