一種鈣鈦礦結構鑭鍶錳氧半金屬薄膜的製備方法
2023-05-13 09:50:36
專利名稱：一種鈣鈦礦結構鑭鍶錳氧半金屬薄膜的製備方法
技術領域：
本發明屬於磁性薄膜技術領域，具體涉及一種應用新型渠道火花燒蝕技術(ChannelSparkAblation，CSA)製備具有高度c軸取向生長的半金屬鑭鍶錳氧(La0.7Sr0.3MnO3，LSMO)鐵磁薄膜的方法。
背景技術：
半金屬薄膜材料以在居裡溫度以下對自旋向上電子呈現金屬性和自旋向下電子呈現絕緣性為特徵。因此費米能級處的電子態密度100％自旋極化。高自旋極化率磁性材料因具有在非易失性磁隨機存儲器，磁性傳感器以及自旋場效應電晶體等方面的潛在應用前景而備受人們關注。鈣鈦礦結構錳化物R1-xAxMnO3是廣為研究的一種半金屬材料，其中R多為La，La3+離子被二價的鹼土族元素離子如Sr2+，Ca2+and Ba2+等替代。這類化合物具有較高的自旋極化率。
早期研究較多的半金屬和巨磁阻鈣鈦礦錳化物主要是La1-xCaxMnO3(LCMO)。然而這種化合物的居裡溫度Tc在250K附近，這極大地阻礙了其在工業上應用的可能。La1-xSrxMnO3(LSMO)材料具有高於室溫的居裡溫度Tc(～350K)，因此，研究如何製備具有高電學性能和磁學性能的LSMO薄膜對磁性薄膜材料的工業應用具有重要的研究意義。
渠道火花燒蝕法(CSA)同脈衝雷射燒蝕法(Pulsed Laser Deposition，PLD)方法類似，均是基於燒蝕鍍膜的過程，即把一個很高的能量瞬間轉移到靶材表面的很小部位，造成其溫度高於升華限制，這樣靶材就被燒蝕出來並利用剩餘的動能運動到基板表面而沉積形成薄膜。CSA具有與PLD同樣的有效性和普適性，但操作上更為簡單，設備更為低廉。
因此，研究如何採用CSA技術製備出高質量的LSMO薄膜由於具有很大的應用價值，成為該領域的研究目標。
發明內容
本發明的目的在於提出一種操作簡便，設備價格相對低廉，具有大規模生產潛能的製備高質量半金屬鈣鈦礦結構薄膜(LSMO)的新方法。
本發明提出的製備La0.7Sr0.3MnO3半金屬薄膜的方法，是利用基於脈衝電子束的新型渠道火花燒蝕技術製備鈣鈦礦結構La0.7Sr0.3MnO3薄膜。本發明是以化學計量配比的La0.7Sr0.3MnO3陶瓷靶為靶材，在LaAlO3(001)基片上生長La0.7Sr0.3MnO3薄膜。工作氣體為O2，氣壓維持在2.0～2.5Pa，基板溫度控制在700～850℃，高壓直流功率輸出電源設定工作電壓為-15～-19KV，工作電流為3.0～6.0mA，脈衝電子束重複頻率為2.0～3.0Hz，沉積時間0.5～30分鐘以後，製備得到具有鈣鈦礦結構的10-800nm厚的La0.7Sr0.3MnO3薄膜。
本發明所製備的薄膜厚度為50～500nm。可根據需要，通過控制薄膜沉積時間、脈衝電子束重複頻率以及直流功率輸出電源工作電壓和工作電流的大小來實現對薄膜厚度的控制。
本發明更好的製備條件如下本發明中，基板溫度為750-850℃。
本發明中，O2工作氣體的氣壓為2.0-2.5Pa。
本發明中，渠道火花燒蝕技術鍍膜時，沉積條件為高壓直流功率輸出電源設定工作電壓為-16～-18KV，工作電流為3.0～5.0mA，脈衝電子束重複頻率為2.0～2.5Hz，鍍膜沉積時間0.5～10分鐘。
本發明中，通過可變氣導閥和流量計將O2氣通入反應室，是真空製備薄膜的現有技術。
本發明方法製得的鈣鈦礦結構半金屬La0.7Sr0.3MnO3薄膜厚度為10-800nm，可根據需要，通過沉積時間來控制膜厚。
實驗結果表明，採用CSA技術在LaAlO3(001)基片上生長的LSMO薄膜具有高c軸取向性的特點。製備的LSMO薄膜有軟磁材料的特性，具有較低的矯頑力，在較低的磁場下就出現飽和，這些與PLD方法製備的LSMO薄膜相似。薄膜的電阻率較低，接近於PLD方法製備的外延生長LSMO薄膜。本發明中所採用的CSA技術設備價格相對低廉，操作簡單，可製備與PLD技術相比擬的高質量半金屬LSMO薄膜。
圖1是本發明方法製備的LSMO薄膜的X射線衍射譜圖。
圖2是本發明方法製備的LSMO薄膜在平行於薄膜平面的外加磁場下的磁滯回線圖。
圖3是本發明方法製備的LSMO薄膜的電子態密度與能量的關係曲線圖。
具體實施例方式
本發明的具體實施步驟如下實施例1，按傳統的陶瓷靶製備方法製備了嚴格的化學劑量配比的La0.7Sr0.3MnO3圓形靶，靶直徑為17mm，厚度2mm。靶表面和石英導管間距固定為4mm。石英導管內徑為2mm。基片LaAlO3(001)雙面拋光，並先後經過去離子水、丙酮和酒精超聲波清洗各20分鐘。薄膜沉積前真空室本底壓強為2.0×10-3Pa。
用Bronkhorst公司的質量流量計控制O2流量使工作氣壓為2.0Pa，用紅外燈管加熱基板並維持基板溫度為824℃，HCL 140-20000型高壓直流功率輸出電源設定工作電壓和電流分別為-16.0KV和4.8mA，脈衝電子束重複頻率是2.4Hz。薄膜沉積時間為10分鐘，薄膜厚度為450nm。
實施例2，與實施例1同樣的方法，在下述條件下製備LSMO薄膜工作氣壓為2.5Pa，基板溫度為830℃，工作電壓和工作電流分別設定為-18.0KV和3.2mA，脈衝電子束重複頻率為1.4～1.6Hz。薄膜沉積時間為20分鐘，薄膜厚度為680nm。
採用Kosaka ET3000型表面輪廓儀測量薄膜厚度，在Rigaku D/max-rB型X射線衍射儀(XRD)上採用Cu Kα1(λ＝1.5406)為光源在10°～80°內掃描得到薄膜的XRD譜。採用在PPMS系統(Quantum Design)上的VSM方法測量室溫下薄膜在外加平行磁場下的磁滯回線。採用傳統的四探針方法測量薄膜室溫時的方塊電阻。採用自旋極化掃描探針顯微鏡測量薄膜的dI/dV譜圖，並據此計算薄膜表面的能態密度。
與實施例同樣的方法在本發明製備條件的範圍內均能獲得符合性能要求的薄膜，因此，本發明內容不局限於上述實施例。
權利要求
1.一種鈣鈦礦結構鑭鍶錳氧即La0.7Sr0.3MnO3半金屬薄膜的製備方法，其特徵是利用渠道火花燒蝕法製備薄膜，具體製備條件如下(1)靶材是按化學劑量配比混合均勻的La0.7Sr0.3MnO3化合物燒結而成；(2)採用LaAlO3(001)單晶作為薄膜基片；維持基板溫度在700～850℃；(3)高壓直流功率輸出源設定工作電壓為-15～-19KV，工作電流為3.0～6.0mA，脈衝電子束重複頻率為2.0～3.0Hz，鍍膜沉積時間為0.5～30分鐘；(4)將工作氣體O2通入真空室，使工作氣壓為2.0～2.5Pa。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵是基板溫度是750～850℃。
3.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵是O2氣工作氣體氣壓為2.0～2.5Pa。
4.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵是高壓直流功率輸出電源的工作電壓設定為-16～-18KV，工作電流為3.0～5.0mA。
5.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵是脈衝電子束重複頻率為2.0～2.5Hz。
6.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵是鍍膜沉積時間為0.5～10分鐘。
7.根據權利要求1所述的製備方法獲得的鈣鈦礦結構鑭鍶錳氧半金屬薄膜厚度為10～800nm.。
全文摘要
本發明是一種採用新型渠道火花燒蝕法(Channel Spark Ablation，CSA)製備鈣鈦礦結構鑭鍶錳氧(La
文檔編號C23C14/28GK1757785SQ20051003077
公開日2006年4月12日 申請日期2005年10月27日 優先權日2005年10月27日
發明者張群, 黃麗, 華中一 申請人:復旦大學