В Национальном институте материаловедения (Япония) впервые получен кислородный молекулярный пучок, который позволяет устанавливать определённую ориентацию молекулярных осей и направление спина кислорода. Используя его для проведения поверхностного окисления кремния, учёные под руководством Мицунори Курахаси показали, что в окислении кремния участвуют только те кислородные молекулы, молекулярные оси которых практически параллельны его поверхности.

Молекула О₂, будучи линейной, имеет анизотропную форму и обладает спином из-за двух неспаренных электронов. Однако до сих пор не существовало никаких экспериментальных методов, позволяющих изучить то, каким образом анизотропия и спин молекулы кислорода влияют на протекание соответствующих реакций окисления. И хотя первичное окисление (например, кремния) было исследовано довольно детально (для процесса производства плёнок изолятора затвора), причины чрезвычайно низкой вероятности начала реакции оставались невыясненными.

Рис. 1. Вверху: контроль ориентации молекул кислорода с помощью магнитного поля. Внизу: временная зависимость адсорбции кислорода на поверхности Si показывает, что вероятность реакции резко меняется в зависимости от ориентации оси молекулы кислорода.

С помощью технологии магнитного гексаполярного поля японским учёным удалось получить кислородный пучок с зафиксированным избранным единичным квантовым состоянием, которое позволило определить ориентацию молекулярной оси и направление спина кислорода. Используя пучок для обработки поверхности кремния, авторы работы установили, что

окисление последнего происходит с участием только таких молекул кислорода, оси которых параллельны (или почти параллельны) плоскости поверхности кремния.

*Столь жёсткое требование к пространственной ориентации молекулы кислорода, являющееся следствием её анизотропии, полностью объясняет неэффективность применяемой в промышленности реакции окисления кремния кислородом**.

Дополнительные подробности о проведённом исследовании можно найти в статье, опубликованной в журнале Physical Review B.