通过上面简单的介绍，我们现在已经可以勾勒出一个标准分子束外延系统的大致构造了，如图2所示，它主要包括超高真空系统、蒸发源、衬底加热台和反射式高能电子衍射仪（RHEED）。

　　图2，分子束外延系统示意图

　　超高真空系统要用出气率极低的高级不锈钢制成，超高真空则由一系列的真空泵组来实现和维持，包括机械泵、涡轮分子泵、离子泵、钛升华泵等等。得益于现代超高真空技术的发展，MBE 系统的真空度一般都能达到优于1×10-10 Torr（乇）的水平。在这个真空度下，即使系统里面的残余气体百分之百地吸附到单晶衬底的表面，铺满一个原子层也需要一小时左右。这时的残留气体以氢气为主，而常温下氢气很难吸附于大部分材料，因此这里无疑是地球上最洁净的地方。生长薄膜所用的单晶衬底则要置于衬底加热台上，它位于真空系统的中心位置，其温度的控制与蒸发源类似，都是通过 PID 控制器精确调控，用以优化生长。用于靶材加热的蒸发源同时指向真空系统的中心（衬底所在处），每个蒸发源可进行独立、精确的温度控制，以保证稳定的分子束流或原子束流。对大型 MBE 系统而言，如果设计合适，可以安装十几个高纯元素的蒸发源，用于多组分复杂化合物薄膜的制备。

　　MBE 薄膜生长的实时监测则由反射式高能电子衍射仪（Reflection High Energy Electron Diffraction, RHEED）完成。RHEED电子枪发射的高能电子以掠角入射（小于4度），经过衬底样品表面反射后再以掠角方式到达荧光屏。这种工作机制使得薄膜的生长和实时监测互不干扰，这是 MBE 的另一大优点：在已知的薄膜生长装置中，atv直播，RHEED 是唯一利用电子作为探针、原位实时监测薄膜生长的设备。通过记录分析 RHEED 的衍射花样和强度，我们可以精确了解薄膜在生长过程中其表面的平整度、结晶的好坏和晶体结构等重要信息。表面越平整， RHEED 信号就越强，衍射条纹也越长。

　　图3，分子束外延生长过程

　　图3所示的是一个完整的单原子层厚的薄膜在形成过程中零级 RHEED 衍射条纹的强度变化情况。假设在薄膜生长开始前，衬底表面原子级平整，这时零级 RHEED 衍射条纹强度最大，如红点所示处于峰顶。随着生长进行，单原子层厚的岛开始形成，不同岛对电子的衍射无法做到相干叠加，导致衍射强度降低。当岛面积总和达到衬底表面一半时，强度达到最低（红点处于峰谷）。当一个原子层薄膜完全覆盖到衬底上时，其强度再次达到最大。这意味着一个原子单层薄膜的生长恰好对应于 RHEED 强度振荡的一个周期。这样，通过在超高真空外面的简单测量（这个振荡有时可以直接用肉眼观察出来），我们就能知道超高真空里面薄膜的生长速率，其精确度达到一个原子单层。这是一个了不起的发现，由 Joyce 等人于1981年完成。这个发现也使得 MBE 真正成为原子级可控的薄膜生长技术。在薄膜生长过程中，RHEED 强度呈现周期性的振荡现象，这就是我们熟知的逐层生长（layer-by-layer）模式。MBE这种生长模式类似于用喷枪逐层绘制作品的方式（图4），只是这时喷射的“颜料”变成了原子或分子气体。

　　图4，艺术家正在街头创作喷画作品

　　自发调节的量子奇观

　　下面谈谈 MBE 最强大的一个功能：对材料化学成分的精确控制。我们以最有代表性的化合物半导体材料 GaAs 来阐述其奥秘。在这之前，我们先复习一下基本知识，即元素的蒸汽压特性。

　　图5，元素的饱和蒸汽压－温度曲线

　　如图5所示，增加温度，元素的饱和蒸汽压就会升高，也就意味着浓度更高的原子气体。Ga是低蒸汽压元素，Ga蒸汽是由一个一个的Ga原子构成，在900℃时，其蒸汽压仅为10-4Torr。As则是高蒸汽压元素，As 蒸汽是由 As 分子构成（以 As4为主），在230℃ 时，其蒸汽压就已经接近10-4 Torr。这些基本性质使得制备具有“绝对”理想化学配比的 GaAs 成为可能，这就是著名的 MBE“三温度规则”，即 Ga 源温度＞衬底温度＞As源温度。在生长GaAs 薄膜时，我们依照“三温度规则”设置以下生长参数：Ga 源温度= 800℃，GaAs 衬底温度= 600℃，As 源温度= 240℃。按照蒸汽压曲线，As4/Ga 束流比大约为15，也就是说单位时间到达衬底单位面积上的 As 分子是 Ga 原子的十五倍。如果它们充分反应形成砷化镓，那得到的成分与 1:1 化学配比的 GaAs 相差十万八千里（具体反应产物的成分取决于二元合金相图）！巧妙的是，衬底温度600℃ 远远低于 Ga 源温度，在这个温度，Ga 的蒸汽压极低，意味着 Ga 原子一旦着陆衬底，它们就不会再脱附，会全部留在衬底安家。相反，在衬底温度600℃ 时，As 的蒸汽压已经超过大气压强，如果 As 不与 Ga 反应形成 GaAs，开奖，多余的 As 分子会立即从衬底脱附、跑掉。所以，这个 As 富的“三温度”生长条件，既保证 Ga 不会形成团簇（cluster）或液滴（droplet），从而使所有的 Ga 都能与 As 反应形成热力学稳定相 GaAs，同时又能保证多余的 As 全部脱附，从而形成严格 1:1 化学配比的 GaAs。