專(zhuān)利名稱(chēng)：具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超高密度磁光存儲(chǔ)、磁性存儲(chǔ)，高靈敏度磁性傳感器和高性能永磁體等技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，信息技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，對(duì)信息存儲(chǔ)密度和存儲(chǔ)速度的要求不斷增加。為進(jìn)一步提高磁光盤(pán)、磁盤(pán)等的記錄密度，記錄介質(zhì)中磁性單元尺寸必須減小到IOnm以?xún)?nèi)， 而在這樣小尺寸下，傳統(tǒng)的水平記錄模式遇到了無(wú)法克服的極限——由于熱擾動(dòng)導(dǎo)致的超順磁效應(yīng)。為了克服這一極限，必須采用基于高垂直磁各向異性能新材料的垂直記錄模式來(lái)提高熱穩(wěn)定性。同時(shí)為了提高信噪比，減少相鄰比特、磁盤(pán)中永磁體和其它各種外界電磁噪聲干擾，亟需存儲(chǔ)介質(zhì)要具有較高的矯頑力。另一方面，基于磁電阻效應(yīng)的自旋閥和磁隧道結(jié)等為代表的自旋電子學(xué)研究迅速崛起，提供了通過(guò)控制電子自旋或者同時(shí)利用電子的電荷和自旋兩個(gè)自由度來(lái)進(jìn)行信息存儲(chǔ)和處理的新思路。目前自旋閥效應(yīng)在硬盤(pán)讀頭等方面已經(jīng)有了成功應(yīng)用。相比傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件，利用垂直易磁化材料設(shè)計(jì)的自旋電子學(xué)器件，包括磁隨機(jī)存儲(chǔ)器、硬盤(pán)讀頭、磁場(chǎng)探測(cè)器等，具有小尺寸(IOnrn以下)，超高集成密度，超高速、低功耗、超高空間分辨率(nm 級(jí))，超高磁場(chǎng)分辨率(理論上可以達(dá)到10-12T)等優(yōu)點(diǎn)。磁隨機(jī)存儲(chǔ)器有望取代目前硅基CMOS內(nèi)存技術(shù)，成為下一代計(jì)算機(jī)核心技術(shù)。磁傳感器廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)、位移、轉(zhuǎn)角、流量等信息的測(cè)量，服務(wù)于汽車(chē)、航空、醫(yī)療、監(jiān)測(cè)、探礦、自動(dòng)化、信息技術(shù)、安全檢測(cè)、全球衛(wèi)星定位等諸多領(lǐng)域。因此，利用高磁各向異性材料設(shè)計(jì)的高性能器件具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值。稀土族永磁體，因其高的磁能積和強(qiáng)磁性得到廣泛應(yīng)用，成為很多現(xiàn)代產(chǎn)品的骨骼，包括計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話(huà)、電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。然而，稀土元素的儲(chǔ)量非常有限，開(kāi)采和加工成本昂貴，因此人們迫切需要尋找到不含稀土元素，也不含貴金屬元素的高性能永磁體，以便取代目前廣泛使用的稀土磁體。無(wú)論超高密度的磁光存儲(chǔ)、磁性存儲(chǔ)、磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器、磁場(chǎng)傳感器，還是高性能永磁體，都需要找到合適的高垂直磁各向異性能的新材料。截止目前，還沒(méi)有報(bào)道一種垂直易磁化材料能夠同時(shí)具備具有超大矯頑力、超高垂直磁各向異性和超高磁能積的鐵磁薄膜、兼容目前已經(jīng)非常成熟的半導(dǎo)體工藝、易于集成、既不含貴金屬又不含稀土元素等優(yōu)點(diǎn)ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備方法，其是具有超大矯頑力、超高垂直磁各向異性和超高磁能積的鐵磁薄膜，同時(shí)具有工藝簡(jiǎn)單、易于集成、且不含貴金屬又不含稀土元素等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供一種具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備方法，包括如下步驟
步驟1 將襯底放入分子束外延設(shè)備樣品架；步驟2 將襯底升至一預(yù)定溫度，保持該溫度一預(yù)定時(shí)間；步驟3 將襯底的溫度降低至一預(yù)定溫度，再利用分子束外延技術(shù)在襯底上生長(zhǎng)緩沖層；步驟4:將襯底的降溫至一預(yù)定溫度，利用分子束外延技術(shù)在緩沖層上生長(zhǎng)鐵磁薄膜層，完成具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備。其中所述襯底的材料為GaAs。其中襯底升溫的溫度為560-800°C，保持時(shí)間不少于1分鐘.其中步驟3中襯底降溫的溫度為500_760°C。其中緩沖層的材料為GaAs。其中步驟4中襯底降溫的溫度為20°C至450°C。其中鐵磁薄膜層的材料為Mnfei。本發(fā)明的有益效果是，利用本發(fā)明的制備方法制備的鐵磁薄膜具有非常優(yōu)越的室溫鐵磁性能，包括最高可達(dá)43k0e的超大室溫矯頑力，且可以通過(guò)控制生長(zhǎng)條件在5至 43k0e之間方便地進(jìn)行調(diào)控；超高的垂直磁各向異性，最大值達(dá)到22. 9Merg/cc ；超高的磁能積，最大可高達(dá)35. 4MG0e，甚至超過(guò)通常的稀土永磁體的磁能積；極高的剩磁比，超過(guò) 0. 94，在垂直磁存儲(chǔ)和磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。此外，由于利用本發(fā)明制備的鐵磁薄膜是在半導(dǎo)體襯底上生長(zhǎng)的，所以利用該發(fā)明制備的鐵磁薄膜設(shè)計(jì)制備的各類(lèi)器件結(jié)構(gòu)都與目前已經(jīng)非常成熟的半導(dǎo)體工藝兼容。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖，通過(guò)對(duì)具體實(shí)例的詳盡描述對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明，其中圖1是利用本發(fā)明制備的樣品結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是不同的襯底1溫度下生長(zhǎng)的鐵磁薄膜層3在300K時(shí)的磁滯回線(xiàn)圖；圖3是不同的襯底1溫度下生長(zhǎng)的鐵磁薄膜層3的矯頑力(a)、磁各向異性(b)、 磁能積(c)和剩磁比(d)的曲線(xiàn)圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明是一種超大矯頑力和超高垂直各向異性鐵磁材料的制備方法，包括如下步驟步驟1 將襯底1放入分子束外延設(shè)備樣品架，所述襯底1的材料為GaAs。步驟2 將襯底1升至一預(yù)定溫度，保持該溫度一預(yù)定時(shí)間，所述襯底1升溫的溫度為560-800°C，保持該溫度的時(shí)間不少于1分鐘.步驟3 將襯底1的溫度降低至一預(yù)定溫度，再利用分子束外延技術(shù)在襯底1上生長(zhǎng)緩沖層2，從反射式高能電子衍射設(shè)備中可以看到所生長(zhǎng)的生長(zhǎng)緩沖層2為高質(zhì)量單晶。 所述的襯底1降溫的溫度為500-760°C，緩沖層2的材料為GaAs。步驟4 將襯底1的降低至一預(yù)定溫度，利用分子束外延技術(shù)在緩沖層2上生長(zhǎng)鐵磁薄膜層3，完成具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備。從反射式高能電子衍射可以看到在緩沖層2上生長(zhǎng)鐵磁薄膜層3為高質(zhì)量單晶。所述的襯底1降溫的溫度為20°C 至450°C，通過(guò)控制該溫度的大小，可以直接調(diào)控鐵磁薄膜層3的鐵磁性能，包括矯頑力，垂直磁各向異性，磁能積，剩磁比等。鐵磁薄膜層3的材料為Mnfe1，Mn和( 的原子組分比從 0.6 1至3.5 1均可以制備出具備這類(lèi)性質(zhì)的鐵磁薄膜層3。圖2和圖3代表性地給出了襯底1在100°C至300°C溫度區(qū)間生長(zhǎng)的鐵磁薄膜層 3的分析結(jié)果，圖3中不同的襯底1溫度下生長(zhǎng)的鐵磁薄膜層3的矯頑力(a)、磁各向異性能(b)、磁能積(c)和剩磁比(d)，表明利用該發(fā)明方法制備的鐵磁薄膜層3，即Mnfe1薄膜， 具有非常優(yōu)異的室溫鐵磁性能，包括最高可達(dá)43k0e的超大矯頑力，且可以通過(guò)控制生長(zhǎng)條件在5至43k0e之間方便地進(jìn)行調(diào)控；超高的垂直磁各向異性，最大值達(dá)到22. 9Merg/ cc ；超高的磁能積，最大可高達(dá)35. 4MG0e，甚至超過(guò)通常的稀土永磁體的磁能積；極高的剩磁比，超過(guò)0. 94，在垂直磁存儲(chǔ)和磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了較詳細(xì)具體的說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述的僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神、思想和原則范圍內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備方法，包括如下步驟 步驟1 將襯底放入分子束外延設(shè)備樣品架；步驟2 將襯底升至一預(yù)定溫度，保持該溫度一預(yù)定時(shí)間；步驟3 將襯底的溫度降低至一預(yù)定溫度，再利用分子束外延技術(shù)在襯底上生長(zhǎng)緩沖層；步驟4:將襯底的降溫至一預(yù)定溫度，利用分子束外延技術(shù)在緩沖層上生長(zhǎng)鐵磁薄膜層，完成具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備。
2.如權(quán)利要求1所述的具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備方法，其中所述襯底的材料為GaAs。
3.如權(quán)利要求1所述的具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備方法，其中襯底升溫的溫度為560-800°C，保持時(shí)間不少于1分鐘。
4.如權(quán)利要求1所述的具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備方法，其中步驟3中襯底降溫的溫度為500-760°C。
5.如權(quán)利要求1所述的具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備方法，其中緩沖層的材料為feiAs。
6.如權(quán)利要求1所述的具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備方法，其中步驟4中襯底降溫的溫度為20°C至450°C。
7.如權(quán)利要求1所述的具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備方法，其中鐵磁薄膜層的材料為Mnfei。
全文摘要
一種具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜的制備方法，包括如下步驟步驟1將襯底放入分子束外延設(shè)備樣品架；步驟2將襯底升至一預(yù)定溫度，保持該溫度一預(yù)定時(shí)間；步驟3將襯底的溫度降低至一預(yù)定溫度，再利用分子束外延技術(shù)在襯底上生長(zhǎng)緩沖層；步驟4將襯底的降溫至一預(yù)定溫度，利用分子束外延技術(shù)在緩沖層上生長(zhǎng)鐵磁薄膜層。通過(guò)以上方法制備的具有超大垂直矯頑力鐵磁單晶薄膜，其具有超大矯頑力、超高垂直磁各向異性和超高磁能積，同時(shí)具有工藝簡(jiǎn)單、易于集成、且不含貴金屬又不含稀土元素等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01F41/14GK102568815SQ20121003351
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月15日
發(fā)明者朱禮軍, 趙建華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所