一種ZnO基稀磁薄膜及其製備方法
2023-05-28 15:16:41 1
專利名稱：一種ZnO基稀磁薄膜及其製備方法
技術領域：
本發明屬於自旋電子學領域，涉及一種ZnO基稀磁薄膜及其製備方法。
背景技術：
稀磁氧化物是新一代自旋器件的重要支撐材料，具有多種優異的磁光、磁電性能， 使其在高密度非易失性存儲器、磁感應器、光隔離器、半導體集成電路、半導體雷射器和自旋量子位計算機領域有非常廣闊的應用前景。製備具有室溫鐵磁性的稀磁氧化物，並將其應用於自旋器件是自旋電子學領域的研究熱點之一。與傳統的半導體器件相比，自旋電子器件具有速度快、體積小、能耗低、非易失等優點，具有較大的應用潛力。然而到目前為止， 稀磁材料還是沒有能夠達到真正的實用化，主要原因之一是稀磁材料的飽和磁化強度低並且居裡溫度低於室溫。雖然近年來具有室溫鐵磁性的稀磁材料不斷出現，但是它們的飽和磁化強度較弱，性能不夠穩定，限制了實用化進程。迄今為止，還沒有一種合適的辦法能夠有效增強稀磁薄膜材料的磁性。ZnO薄膜材料具有優異的結構和物理性能，在電子器件領域的應用前景極為廣闊，近年來，ZnO基稀磁材料得到了廣泛的研究，但是性能不夠理想且重複性差。
發明內容
本發明的目的是提供一種ZnO基稀磁薄膜及其製備方法。本發明提供的ZnO基稀磁薄膜，包括基片、位於所述基片上的稀磁薄膜和反鐵磁薄膜；其中，構成所述稀磁薄膜的材料為SvxTMxO,所述SvxTMxO中，χ為0. 2% -10. 0%， TM為過渡金屬元素；構成所述反鐵磁薄膜的材料選自過渡金屬氧化物中的至少一種。所述Zn1-JMxO中，χ優選3 % _5 %，更優選4-5%，TM選自Co、Ni和Fe中的至少一種；所述過渡金屬氧化物選自附0、CoO和CuO中的至少一種。構成所述基片的材料選自 LiNb03、Si、Al203和LiTaO3中的至少一種，優選LiNb03。所述稀磁薄膜的厚度為10 400nm， 優選15-120nm ；所述反鐵磁薄膜的厚度為10 400nm，優選10-60nm。上述本發明提供的ZnO基稀磁薄膜由下至上依次可為所述基片、所述稀磁薄膜和所述反鐵磁薄膜；或者，所述ZnO基稀磁薄膜由下至上依次為所述基片、所述反鐵磁薄膜和所述稀
磁薄膜。優選的，本發明提供的ZnO基稀磁薄膜由下至上依次為所述基片、所述稀磁薄膜和所述反鐵磁薄膜；其中，構成所述基片的材料為LiNbO3,構成所述稀磁薄膜的材料為 Sia96Coatl4O,構成所述反鐵磁薄膜的材料為NiO ；也即，該ZnO基稀磁薄膜的結構為LiNbO3/ Co:Zn0/Ni0;其中，所述Zna96Coatl4O稀磁薄膜的厚度為30nm，所述NiO反鐵磁薄膜的厚度為 10-60nm ；所述ZnO稀磁薄膜LiNb03/Co SiO/NiO的室溫飽和平均原子磁矩為3. 0 μ B/Co 3. 6 μ B/Co。或者，優選的，所述ZnO基稀磁薄膜由下至上依次為所述基片、所述反鐵磁薄膜和所述稀磁薄膜；其中，構成所述基片的材料為LiNbO3，構成所述反鐵磁薄膜的材料為MO ； 構成所述稀磁薄膜的材料為Zna95Niatl5O ；所述稀薄膜的厚度為80nm，所述反鐵磁薄膜的厚度為10-60nm ；所述ZnO稀磁薄膜的室溫飽和平均原子磁矩為2. 1 μ B/Co 2. 5 μ B/Co。本發明提供的製備上述ZnO基稀磁薄膜的方法，為下述方法一或方法二，其中， 所述方法一包括如下步驟在基片上依次製備一層稀磁薄膜和一層反鐵磁薄膜，得到所述 ZnO基稀磁薄膜；所述方法二包括如下步驟在基片上依次製備一層反鐵磁薄膜和一層稀磁薄膜， 得到所述ZnO基稀磁薄膜。上述兩方法中，構成所述稀磁薄膜的材料均為SvxTMxO,所述SvxTMxO中，χ為 0.2% -10.0%，優選3% -5%，更優選4-5%，TM均為過渡金屬元素，優選Co、Ni和！^中的至少一種；構成所述反鐵磁薄膜的材料均選自過渡金屬氧化物中的至少一種，優選附0、 CoO和CuO中的至少一種；構成所述基片的材料均選自LiNb03、Si、Al2O3和LiTaO3中的至少一種，優選 LiNbO3；所述稀磁薄膜的厚度均為10 400nm，優選15-120nm ；所述反鐵磁薄膜的厚度均為 10 400nm，優選 10_60nm。所述製備一層稀磁薄膜的方法和製備一層反鐵磁薄膜的方法均為各種常用的製備薄膜的方法，如可為物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、溶膠-凝膠法和電化學方法中的至少一種，優選直流反應濺射沉積法。其中，所用方法為，優選直流反應濺射法時，該方法可按照如下步驟進行選用氬氣(Ar)為濺射氣體，氧氣(O2)為反應氣體，Ar的壓強為 0. 24-0. 3Pa,02的壓強為0. 06-0. 8Pa，基片溫度200°C，沉積速率為3_7. 2nm/min，濺射電流為0. 6A，濺射電壓為350V，濺射過程中，基片溫度保持在200°C。本發明提供了一種ZnO基稀磁薄膜及其製備方法。該ZnO基稀磁薄膜具有一種簡單的雙層膜結構，使其室溫鐵磁性具有良好的調控性，該ZnO基稀磁薄膜的結構為基片/ TM:ZnO/AF或基片/AF/TM: ZnO。本發明通過在ZnO基稀磁薄膜上沉積一薄層反鐵磁薄膜或在反鐵磁薄膜上沉積一層稀磁薄膜來提高ZnO基稀磁薄膜的室溫鐵磁性，利用室溫鐵磁性 TMiZnO薄膜和反鐵磁薄膜的界面近鄰效應，使雙層膜結構的室溫飽和平均原子磁矩(μ B/ Co)相對單層稀磁薄膜結構的平均原子磁矩明顯增大。其中可通過稀磁層TM:ZnO和反鐵磁層厚度的變化來調控TM:ZnO的平均原子磁矩。本發明提供的ZnO基稀磁薄膜將會大大加快稀磁材料在自旋電子學器件方面的實用化，具有重要的應用價值。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步闡述，但本發明並不限於以下實施例。所述方法如無特別說明均為常規方法。所述材料如無特別說明均能從公開商業途徑而得。實施例1、製備LiNb03/Co ZnO/NiO結構的ZnO基稀磁薄膜在LiNbO3鐵電基片上採用直流反應濺射的方式沉積一層Zna96Coatl4O薄膜(也即 Co摻雜ZnO薄膜)，該Zna96Coatl4O薄膜中，Co的摻雜濃度為4. Oat. %，厚度為30·，該直
5流反應濺射沉積步驟中，氬氣(Ar)為濺射氣體，氧氣(O2)為反應氣體，二者的壓強分別為 0. 3 和0. 5Pa，濺射電流為0. 6A，濺射電壓為350V，沉積速率為3nm/min，濺射過程中，基片溫度保持在200°C。然後再在該Sia96Coatl4O薄膜之上採用直流反應濺射的方式沉積一層NiO薄膜，該直流反應濺射沉積步驟中，氬氣(Ar)為濺射氣體，氧氣(O2)為反應氣體，Ar和仏的壓強分別為0. 24Pa和0. 06Pa，濺射電流為0. 6A，濺射電壓為350V，基片溫度200°C，沉積速率為7. 2nm/min,Ni0薄膜厚度分別設定為10nm、20nm、30nm、40nm和60nm，得到本發明提供的 LiNb03/Co:Zn0/Ni0結構的ZnO基稀磁薄膜。該ZnO基稀磁薄膜由下至上依次為LiNbO3鐵電基片、Zna 96CoQ. Q40稀磁薄膜和NiO 反鐵磁薄膜；其中，Sia96Coatl4O稀磁薄膜的厚度為30nm，NiO反鐵磁薄膜的厚度為lOnm、 20nm、30nm、40nm 或 60nmo該實施例製備所得ZnO基稀磁薄膜具有良好的沿c軸方向的擇優取向，界面清晰平整，附著力較好。超導量子磁強計(SQUID)檢測結果表明，LiNb03/Co:Zn0單層膜的室溫飽和平均原子磁矩為2. 3 μ B/Co,而本發明提供的雙層膜LiNb03/Co:ai0/Ni0結構的ZnO基稀磁薄膜，當NiO厚度範圍為IOnm 60nm，雙層膜結構的室溫飽和平均原子磁矩為3. O μ B/ Co 3. 6μ B/Co，其磁矩大小隨著NiO厚度的增大而減小。不同厚度的反鐵磁層NiO與 CoiZnO薄膜的界面耦合作用使得Co:ZnO稀磁薄膜的室溫飽和平均原子磁矩有不同程度的提尚。實施例2、製備LiNb03/Ni0/Ni ZnO結構的ZnO基稀磁薄膜在LiNbO3鐵電基片上採用直流反應濺射的方式沉積NiO薄膜，該直流反應濺射沉積步驟中，氬氣(Ar)為濺射氣體，氧氣(O2)為反應氣體，二者的壓強分別為0. MI^和 0. 06Pa，基片溫度200°C，濺射電流為0. 6A，濺射電壓為350V，沉積速率為7. 2nm/min，Ni0薄膜厚度分別設定為10nm、20nm、30nm、40nm和60nm。然後再在NiO薄膜上採用直流反應濺射的方式沉積一層Sia95Niatl5O薄膜(也即 Ni摻雜ZnO薄膜)，摻雜濃度為5. Oat. %，厚度為80nm，該直流反應濺射沉積步驟中，氬氣 (Ar)為濺射氣體，氧氣(O2)為反應氣體，Ar和仏的壓強分別為0. 3Pa和0. 5Pa，濺射電流為0. 6A，濺射電壓為350V，沉積速率為3nm/min，濺射過程中，基片溫度保持在200°C，得到本發明提供的LiNb03/Ni0/Ni :ZnO結構的ZnO基稀磁薄膜。該LiNb03/Ni0/Ni :ZnO結構的ZnO基稀磁薄膜由下至上依次為LiNbO3鐵電基片、 NiO反鐵磁薄膜和Sia95Niatl5O稀磁薄膜。其中，Zna95Niatl5O稀磁薄膜的厚度為80nm，Ni0反鐵磁薄膜的厚度為10nm、20nm、30nm、40nm或60nm。該實施例製備所得ZnO基稀磁薄膜具有良好的沿c軸方向的擇優取向，界面清晰平整，附著力較好。超導量子磁強計(SQUID)檢測結果表明，LiNb03/Ni:ai0單層膜的室溫飽和平均原子磁矩為1.61^/&)，雙層膜1^恥03/慰0/慰:2110結構，當慰0厚度範圍為IOnm 60nm,而本發明提供的雙層膜結構的LiNb03/Ni0/Ni ZnO結構的ZnO基稀磁薄膜的室溫飽和平均原子磁矩為2. 1 μ B/Co 2. 5 μ B/Co，其磁矩大小隨著NiO厚度的增大而減小。不同厚度的反鐵磁層MO與M ZnO薄膜的界面耦合作用使得M ZnO稀磁薄膜的室溫飽和平均原子磁矩有不同程度的提高。
權利要求
1.一種ZnO基稀磁薄膜，包括基片、位於所述基片上的稀磁薄膜和反鐵磁薄膜； 其中，構成所述稀磁薄膜的材料為SvxTMxO，所述SvxTMxO中，χ為0. 2% -10. 0%, TM為過渡金屬元素；構成所述反鐵磁薄膜的材料選自過渡金屬氧化物中的至少一種。
2.根據權利要求1所述的薄膜，其特徵在於所述^vxTMxO中，TM選自Co、Ni和!^e中的至少一種，χ為3%-5%，優選4-5% ；所述過渡金屬氧化物選自NiO、CoO和CuO中的至少一種。
3.根據權利要求1或2所述的薄膜，其特徵在於構成所述基片的材料選自LiNb03、Si、 Al2O3和LiTaO3中的至少一種，優選LiNb03。
4.根據權利要求1-3任一所述的薄膜，其特徵在於所述稀磁薄膜的厚度為10 400nm，優選15_120nm ；所述反鐵磁薄膜的厚度為10 400nm，優選10_60nm。
5.根據權利要求1-4任一所述的薄膜，其特徵在於所述ZnO基稀磁薄膜由下至上依次為所述基片、所述稀磁薄膜和所述反鐵磁薄膜；或者，所述ZnO基稀磁薄膜由下至上依次為所述基片、所述反鐵磁薄膜和所述稀磁薄膜。
6.根據權利要求1-5任一所述的薄膜，其特徵在於所述ZnO基稀磁薄膜由下至上依次為所述基片、所述稀磁薄膜和所述反鐵磁薄膜；其中，構成所述基片的材料為LiNbO3，構成所述稀磁薄膜的材料為Sia96Coatl4O,構成所述反鐵磁薄膜的材料為MO ；所述稀磁薄膜的厚度為30nm，所述反鐵磁薄膜的厚度為10-60nm ；所述SiO基稀磁薄膜的室溫飽和平均原子磁矩為 3. 0 μ B/Co 3. 6 μ B/Co ；或者，所述ZnO基稀磁薄膜由下至上依次為所述基片、所述反鐵磁薄膜和所述稀磁薄膜；其中，構成所述基片的材料為LiNbO3，構成所述反鐵磁薄膜的材料為NiO ；構成所述稀磁薄膜的材料為Sv95Niao5O ；所述稀薄膜的厚度為80nm，所述反鐵磁薄膜的厚度為 10-60nm ；所述ZnO基稀磁薄膜的室溫飽和平均原子磁矩為2. 1 μ B/Co 2. 5 μ B/Co。
7.根據權利要求1-6任一所述的薄膜，其特徵在於所述薄膜是按照權利要求8-10任一所述方法製備而得。
8.一種製備權利要求1-6任一所述SiO基稀磁薄膜的方法，為下述方法一或方法二，其中，所述方法一包括如下步驟在基片上依次製備一層稀磁薄膜和一層反鐵磁薄膜，得到所述ZnO基稀磁薄膜；所述方法二包括人如下步驟在基片上依次製備一層反鐵磁薄膜和一層稀磁薄膜，得到所述ZnO基稀磁薄膜。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於構成所述稀磁薄膜的材料均為SvxTMxO, 所述ZrvxTMxO中，χ為0. 2 % -10. 0 %，優選3 % -5 %，更優選4-5 % ；TM均為過渡金屬元素， 優選Co、Ni和狗中的至少一種；構成所述反鐵磁薄膜的材料均選自過渡金屬氧化物中的至少一種，優選NiO、CoO和CuO中的至少一種；構成所述基片的材料均選自LiNb03、Si、Al2O3和LiI^aO3中的至少一種，優選LiNbO3 ； 所述稀磁薄膜的厚度均為10 400nm，優選15-120nm ；所述反鐵磁薄膜的厚度均為 10 400nm，優選 10_60nm。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於所述製備一層稀磁薄膜的方法和製備一層反鐵磁薄膜的方法均為物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、溶膠-凝膠法和電化學方法中的至少一種，優選直流反應濺射沉積法。
全文摘要
本發明公開了一種ZnO基稀磁薄膜及其製備方法。該ZnO基稀磁薄膜，包括基片、位於基片上的稀磁薄膜和反鐵磁薄膜；其中，構成稀磁薄膜的材料為Zn1-xTMxO，所述Zn1-xTMxO中，x為0.2％-10.0％，優選3％-5％，TM為過渡金屬元素；構成反鐵磁薄膜的材料選自過渡金屬氧化物中的至少一種。本發明通過在ZnO基稀磁薄膜上沉積一薄層反鐵磁薄膜或在反鐵磁薄膜上沉積一層稀磁薄膜來提高ZnO基稀磁薄膜的室溫鐵磁性，利用室溫鐵磁性TM:ZnO薄膜和反鐵磁薄膜的界面近鄰效應，使雙層膜結構的室溫飽和平均原子磁矩(μB/Co)相對單層稀磁薄膜結構的平均原子磁矩明顯增大。
文檔編號H01F41/18GK102360710SQ201110166520
公開日2012年2月22日 申請日期2011年6月20日 優先權日2011年6月20日
發明者曾飛, 潘峰, 王鈺言, 陳 光 申請人:清華大學