等离子体清洗实验被安排在小型材料处理实验室进行。那台机器原本用于清洁硅片表面的有机沾污,功率不大,腔体也小,勉强能放进一片四英寸的碳化硅衬底。
林海对陆晨这个“野路子”想法最初持保留态度。“等离子体清洗对去除表面吸附物和弱氧化层有效,但碳化硅衬底在进入生长炉前,已经经过严格的高温氢刻蚀,表面应该是清洁的。而且,等离子体可能会引入新的表面损伤或电荷积累。”
“我们不做任何假设。”陆晨站在机器前,看着操作手册上的参数范围,“标准流程走完了,结果卡在瓶颈。我们需要探索‘非标准’的可能性。系统…我们的理论模拟提示,界面缺陷可能不只是来自缓冲层本身,衬底表面极微量的、氢刻蚀也无法完全去除的特定态杂质,或者表面能的不均匀,可能是诱因之一。等离子体,特别是特定气体配比的等离子体,可能改变最表面几个原子层的化学状态和能量分布。”
他将系统的提示,转化为基于材料表面科学的合理推测。
“那就试试看。”林海被说服了,技术人员的探索欲被点燃,“我们选氩氢混合气体,比例可以调,偏压和功率也作为变量。但怎么评估效果?直接上生长炉周期太长了。”
“用原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)。”陆晨早有思路,“清洗前后,测表面粗糙度和化学成分变化。更关键的是,我们可以尝试在清洗后的衬底上,先沉积一层极薄的、几个纳米厚的石墨烯缓冲层,然后用高分辨透射电镜(HRTEM)看初始成核界面的情况。如果等离子体处理真的改善了界面,应该在最初的成核阶段就能观察到差异。”
这是一个巧妙的设计,将漫长的晶体生长评估,前置到最初的界面形成时刻来观察,大幅缩短实验周期。
实验立即启动。他们准备了六片来自同一批次、经过标准氢刻蚀的碳化硅衬底,分为三组:一组作为对照,一组进行常规氩等离子体清洗,一组进行氩氢混合等离子体清洗,并细分为不同参数。
AFM和XPS的结果首先出来。常规氩等离子体处理后,表面粗糙度略有增加,显示了一定的物理溅射效应。而特定比例的氩氢混合等离子体处理后,表面氧含量检测值进一步降低,同时碳化硅表面的碳硅比出现了微妙的、趋向化学计量比的变化。
“氢自由基可能还原了表面极微量的氧化硅,并钝化了一些悬空键。”张明远在查看数据后分析,“这个表面状态,理论上可能更有利于石墨烯的平整外延。”
关键的HRTEM样品制备需要时间。但初步的表面分析结果,已经给了团队一丝微光——这条路,或许真的值得深挖。
协议转换网关的开发,成了软件工程师小陈的“高光时刻”。这个入职不到两年的年轻人,凭着对硬件通信的痴迷和一股不服输的劲头,泡在实验室里三天,几乎没怎么合眼。
林海给他配了两个助手,主要负责硬件搭建和测试。小陈则埋头钻研两份厚厚的通信协议文档,一行行代码在屏幕上流淌。
“核心难点是实时性和稳定性。”小陈眼睛里满是血丝,但精神亢奋,“两边协议的数据帧结构、校验方式、错误重传机制都不一样。我设计了一个双缓冲区和优先队列机制,保证关键控制指令的延迟不超过1毫秒,数据反馈的完整性要达到100%。”