具有室溫電控磁特性的錳摻氧化鋅-鐵酸鉍外延異質結構的制備方法
【專利說明】具有室溫電控磁特性的錳摻氧化鋅-鐵酸鉍外延異質結構的制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明專利涉及一種多鐵性復合薄膜的制備方法，更具體地，是一種涉及基于磁控濺射方法制備具有室溫電控磁特性的錳摻氧化鋅-鐵酸鉍外延異質結構的制備方法。
【背景技術】
[0002]多鐵性材料是一種兼具磁性與鐵電性的新型多功能材料。利用多鐵性材料與自旋極化材料的復合，人們可以實現(xiàn)電場對材料磁性的調控，可以有效的降低電子器件的功耗，具有明顯的應用價值。開發(fā)具備“電寫磁讀”的多鐵存儲設備對于實現(xiàn)高速度高密度和低功耗的新型存儲器件具有十分重要的意義。在常見的鐵磁鐵電人工復合結構中，界面電荷耦合調制體系具有實現(xiàn)高密度存儲和信息非易失性的潛力。作為多鐵性材料的代表，鐵酸鉍（BiFe03)有豐富的磁、電性質，具有較高的鐵電居里溫度和反鐵磁奈爾溫度。鐵酸鉍具有好的鐵電性和反鐵磁性，利用稀磁半導體材料與BiFeO#h延復合，界面處將存在豐富的耦合效應，從而實現(xiàn)外加電場對材料磁性的調控特性。
[0003]基于上述目的，選擇室溫磁性半導體材料錳摻氧化鋅（Ζηα95Μηα(]50)與BiFeO^R外延復合，制備多鐵性復合結構。2%9#11。.。50^?6〇3薄膜結構穩(wěn)定，是一種具有潛力的磁性半導體材料，成為與鐵電材料復合制備多鐵性復合結構的理想選擇。
[0004]在薄膜制備中，傳統(tǒng)制備鐵酸鉍、氧化鋅薄膜及復合結構的手段為脈沖激光沉底、分子束外延技術等，設備昂貴、成本高，技術復雜。相比之下，磁控濺射方法是一種經濟實用并可工業(yè)化的薄膜制備方法。
[0005]因此，我們利用磁控濺射技術制備扮？6〇3外延薄膜及Μη摻ZnO (5at. % Μη)外延薄膜，首次實現(xiàn)兩種材料的異質外延生長，并且發(fā)現(xiàn)Zna95Mna(j50-BiFe03外延復合結構中能夠實現(xiàn)室溫下的電場控磁效應，實現(xiàn)氧化物薄膜的鐵磁鐵電親合。該Zno.j^MnoiO-BiFeOAF延復合結構，擴充了多鐵復合結構的研究范圍；該復合結構的制備方法，提供了能夠一種簡單、廉價并可工業(yè)化推廣的外延異質結構的制備技術。

【發(fā)明內容】

[0006]利用簡單的磁控派射法來制備Zna95Mna(j50-BiFe03多鐵復合外延異質薄膜，并研究其交換偏置效應。本發(fā)明開發(fā)了一種具有大的交換偏置效應的多鐵性復合結構的制備方法。
[0007]具體技術方案如下：
[0008]本發(fā)明的具有室溫電控磁特性的錳摻氧化鋅-鐵酸鉍外延異質結構的制備方法；利用磁控濺射法來制備Zn。. 95Mn。. ^O-BiFeOs多鐵復合外延異質薄膜。
[0009]本發(fā)明所述的方法，具體步驟如下：
[0010]1)在外延生長了 10?100納米的LaNi03導電基底的LaA103取向單晶基片上制備BiFe03外延薄膜；
[0011]2)在BiFe03外延薄膜上生長外延Ζη 0.95Μη0.050薄膜；
[0012]3)測量2%9#11。.。50^?603復合薄膜的室溫電阻態(tài)和磁性轉變。
[0013]所述步驟1)的方法是:
[0014](1)由于Bi在濺射過程中具有揮發(fā)性，選擇10% Bi過量的靶材，基底溫度600-700攝氏度；氧氣與氬氣比:(5.0?20.0): 100 ;濺射壓強:1.0?1.2帕；濺射速率:
1.8?2.0納米/分；在外延生長了 10-100納米；導電基底如果太薄，生長81?603后，可能由于形成界面死層而失效；導電基底如果太厚，由于基底的粗糙度變大，上面生長的BiFe03粗糙度也會相應增大，導致ZnQ.95MnQ.Q50和BiFe03的異質界面被破壞。
[0015](2)BiFe03外延薄膜厚度50-200納米。
[0016]所述步驟2)的方法是:
[0017](1)采用三靶磁控濺射裝置，在射頻濺射靶頭上安裝純度為99.99 %的Μη摻ΖηΟ靶；
[0018](2)將生長好的BiFe03外延薄膜放置于樣品架位置，加熱溫度300?500攝氏度；通入濺射氧氣與氬氣的比分別選擇:0.1?3.2:100，濺射壓強為1.0?1.2帕；
[0019](3)開啟濺射電源，在Μη摻ΖηΟ靶上施加0.15?0.18安培的電流和990?1000伏特的射頻電壓，薄膜生長速率8?10納米/分；
[0020](4)控制ZnQ.95MnaQ50外延薄膜厚度100?200納米，關閉濺射電源，ZnQ.95MnaQ50的厚度是根據(jù)約為50納米的電荷屏蔽長度設定的，太薄會影響界面電荷的有效調控，太厚會導致測量中界面的磁性變化無法有效體現(xiàn)。
[0021]所述步驟3)的方法是:
[0022](1)將Zna95M%(]50-BiFe03復合薄膜在室溫下測量復合薄膜不同極化狀態(tài)下的磁化曲線；
[0023](2)從磁化曲線中讀出Zna95MnQ.Q50-BiFe03復合薄膜的室溫電場控磁效應。
[0024]本發(fā)明所涉及的一種具有室溫電場控磁特性的錳摻氧化鋅-鐵酸鉍多鐵性復合薄膜及制備方法是采用射頻磁控派射法首次實現(xiàn)Zn。.95Mnao50-BiFe03復合薄膜結構外延制備；首次發(fā)現(xiàn)Zn。.95Mn0.050-BiFe03復合薄膜具有室溫電場控磁效應。該發(fā)明方法具有革E材選擇簡單、在多鐵性性存儲設備等方面具有很好的應用價值的優(yōu)點。
[0025]本發(fā)明所涉及的具有大的交換偏置效應的錳摻氧化鋅-鐵酸鉍多鐵性復合薄膜主要具有以下幾個優(yōu)點:
[0026]1.首次采用射頻磁控濺射法成功制備出錳摻氧化鋅-鐵酸鉍復合薄膜，物理性質穩(wěn)定；該2%951%。50^?603外延復合結構，擴充了多鐵復合結構的研究范圍；
[0027]2.首次采用磁控濺射方法實現(xiàn)錳摻氧化鋅-鐵酸鉍多鐵性復合薄膜的外延生長，相比其它薄膜制備技術，磁控濺射更容易實現(xiàn)工業(yè)化生產；
[0028]3.發(fā)現(xiàn)錳摻氧化鋅-鐵酸鉍多鐵性復合薄膜室溫電場控磁效應，有利于實現(xiàn)多鐵性存儲。
【附圖說明】
[0029]圖1錳摻氧化鋅-鐵酸鉍復合薄膜結構示意圖。
[0030]圖2 2%95]\111。.。50-1^?603復合薄膜的高分辨透射電子顯微鏡和選區(qū)電子衍射圖像，其中(a)為樣品的截面透射電鏡圖，(b)為2%9鄭。.。50-81?603界面圖，(c)為BiFe03-LaNi03界面圖，(d)為樣品的選區(qū)電子衍射圖。此圖說明Zn Q.95MnQ.Q50-BiFe03復合薄膜為外延生長。
[0031]圖3 ZnQ.95MnQ.Q50-BiFe03復合薄膜不同極化狀態(tài)下的室溫磁化曲線，其中，方形為樣品未極化狀態(tài)的磁化曲線，圓形為樣品正電壓極化后高電阻態(tài)的磁化曲線，三角形為樣品負電壓極化后低電阻態(tài)的磁化曲線?？梢钥吹剑瑯悠吩诓煌瑯O化狀態(tài)下的磁化曲線表現(xiàn)出顯著的變化。室溫電場控磁效應說明鐵磁半導體/鐵電界面處有較強的界面電荷耦合效應。
【具體實施方式】
[0032]根據(jù)我們對本發(fā)明中所制備的樣品進行的交換偏置效應的分析，下面結合附圖和最佳實施方式進行詳細地說明:
[0033]本發(fā)明利用射頻磁控濺射技術制備BiFe03外延薄膜，并采用射頻磁控濺射方法，利用5at.% Μη含量的Μη摻ZnO革巴制備Zn0.95Mn0.050薄膜；并把Zn0.95Mn0.050薄膜生長在81卩603外延薄膜上，制備Zn (^Mn0.t^O-BiFeO；^復合薄膜；測量制備Zn a95Mna(j50-BiFe03復合薄膜結構的室溫電阻態(tài)和磁性轉變效應。
[0034]制備具有室溫電控磁特性的多鐵性復合結構的方法，具體實現(xiàn)步驟:
[0035]1.在外延生長了 10-100納米的LaNi03(001)導電基底的LaA103(001)取向單晶基片上制備BiFeOjh延薄膜:
[0036](1)選擇10% Bi過量的革E材，調節(jié)必要的工藝參數(shù)實現(xiàn)成膜。反應參數(shù)包括:基底溫度、濺射氣氛、濺射速率、退火環(huán)境等。條件為:基底溫度600-700攝氏度；氧氣與氬氣比:(5.0?20.0): 100 ;濺射壓強:1.0?1.2帕；濺射速率:1.8?2.0納米/分；
[0037](2)BiFe03外延薄膜厚度50-200納米。
[0038]2.在(001)取向的BiFe03外延薄膜上生長(110)取向的外延Zn 0.95Μη0.050薄膜:
[0039](1)采用三靶磁控濺射裝置，在射頻濺射靶頭上安裝純度為99.99 %的Μη摻ZnO靶。
[0040](2)將生長好的BiFeOjh延薄膜放置于樣品架位置，加熱溫度300?500攝氏度；通入濺射氧氣與氬氣的比分別選擇:0.1?0.2/100，1.0?1.2/100，2.0?2.2/100，3.0?3.2