一種含有Fe的納米薄膜材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含有Fe的納米薄膜材料，包括絕緣基底以及鍍在絕緣基底表面的納米薄膜；所述納米薄膜的化學(xué)式FexCry(BizSb1-z)2-x-ySe3表示，其中0<x<0.05，0.1<y<0.3，0.1<z<0.3，且1:1<z:y<2:1，所述納米薄膜鍍在絕緣基底表面的厚度為5-50nm。本發(fā)明提供的含有Fe的納米薄膜材料大大提高了獲得量子化反常霍爾效應(yīng)的溫度，其溫度可以高達50K，同時，對材料厚度的要求也大大放寬，最厚可以達到50nm，從而更容易應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】一種含有Fe的納米薄膜材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料物理領(lǐng)域，具體涉及一種含有Fe的納米薄膜材料及其制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的一個物理效應(yīng):在一個通有電流的導(dǎo)體中，如果施加一個垂直于電流方向的磁場，由于洛倫茲力的作用，電子的運動軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓。人類日常生活中常用的很多電子器件都是利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)的，例如汽車上廣泛應(yīng)用的信號傳感器、汽車速度表和里程表、A B S系統(tǒng)中的速度傳感器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器等。然而，霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強的磁場，不但導(dǎo)致價格昂貴，而且占用空間，不適合當今的手機、個人電腦和便攜式計算機。而量子反常霍爾效應(yīng)則是不需要任何外加磁場的情況下實現(xiàn)量子霍爾態(tài)，從而可以方便地應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷?。并且，量子反常霍爾效?yīng)能解決電子碰撞發(fā)熱的問題，因而在未來的量子計算、量子信息存儲方面具有巨大的應(yīng)用潛力，據(jù)此設(shè)計具有極低的能耗的新一代大規(guī)模集成電路和元器件。因此，量子反?；魻栃?yīng)有可能推動新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件發(fā)展，通過密度集成，將來計算機的體積也將大大縮小，即使千億次的超級計算機都有望做成現(xiàn)在的平板電腦的大小。
[0003]要實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)，其關(guān)鍵在于材料的制備。然而，關(guān)于量子反?；魻栃?yīng)的材料的報道較少。專利CN 103000804 A提出了一種本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生量子化反常霍爾效應(yīng)的方法，然而，使用該方法必須要在溫度小于或等于10開爾文下才能獲得；專利CN 103022344 A提出了一種拓撲絕緣體結(jié)構(gòu)用來實現(xiàn)量子化反?；魻栃?yīng)，然而其制備的薄膜必須非常薄，其厚度為3至5納米，同時其溫度也必須低于1.5k。獲得量子化反?；魻栃?yīng)的溫度過低以及薄膜厚度太小，都大大限制了其實際的應(yīng)用以及工業(yè)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種大大提高了產(chǎn)生量子化反?；魻栃?yīng)的溫度，同時，由于可以采用厚度較大的薄膜、更易于應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)含有Fe的納米薄膜材料；本發(fā)明還提供了該納米薄膜的生產(chǎn)方法。
[0005]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種含有Fe的納米薄膜材料，包括絕緣基底以及鍍在絕緣基底表面的納米薄膜；所述納米薄膜的化學(xué)式由FexCry (BizSbh)2TySe3 表示，其中 0〈χ〈0.05，0.l<y<0.3,0.1〈ζ〈0.3，且 l:l〈z:y〈2:l ;所述納米薄膜鍍在絕緣基底表面的厚度為5-50nm。
[0006]本發(fā)明的材料是Fe、Cr摻雜的(Bi，Sb) 2Se3體系，由于Fe、Cr元素存在不飽和磁矩，元素間的交互作用改變了材料的能帶結(jié)構(gòu)，在該體系中形成了較強的鐵磁交換機制，使得該材料體系能夠在更大的厚度、更高的溫度下形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。
[0007]進一步地，所述絕緣基底可以是鈦酸鍶、鈦酸鋇、剛玉或者金剛石中的一種。[0008]進一步地，所述絕緣基底的厚度為0.l-10mm。
[0009]優(yōu)選地，0.005〈χ〈0.045。
[0010]優(yōu)選地，0.ll〈y〈0.28。
[0011]優(yōu)選地，0.11〈ζ〈0.26。
[0012]優(yōu)選地，所述納米薄膜鍍在絕緣基底表面的厚度為35 - 50nm。
[0013]上述的含有Fe的納米薄膜材料的制備方法，其特征在于:其制備步驟包括如下:
(1)選取絕緣基底材料，使其表面為(111)晶面，并在小于50-90°C的去離子水中加熱I至2小時，然后在氧氣和氬氣氛圍中800-1200°C灼燒2至3小時；然后放置于真空度大于10_8Torr的分子束外延系統(tǒng)過渡腔中；
(2)將基底加熱到400°C，保溫I小時，進行除氣處理；
(3)將基底轉(zhuǎn)入生長室，同時準備Fe、Cr、B1、Sb、Se材料；
(4)將生長室的真空度調(diào)整到KT9Torr以上，在分子束外延腔體中同時形成Fe、Cr、B1、Sb、Se的束流，控制其流量，在基底上生長出原子級光滑的FexCry(BizSbh)2IySe3薄膜，整個過程保持基底的溫度為150-250°C范圍內(nèi)；其中0〈x〈0.05,0.l<y<0.3,0.1〈ζ〈0.3，且1: l<z:y<2:1,薄膜的厚度為 5-50nm ；
(5)步驟(4)中的外延生長結(jié)束后，仍然保持基底的溫度I小時以上。
[0014]進一步地，所述步驟(I)中的氧氣和氬氣氛圍中的灼燒溫度為1000°C。
[0015]有益效果:本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，具有以下優(yōu)勢:
本發(fā)明提供的含有Fe的納米薄膜材料大大提高了獲得量子化反?；魻栃?yīng)的溫度，其溫度可以高達50K，同時對材料厚度的要求也大大放寬，最厚可以達到50nm，從而更容易應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0016]本發(fā)明提供的含有Fe的納米薄膜材料制備方法，制備步驟簡單，容易實現(xiàn)工業(yè)化
批量生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0018]以下實施例均是采用霍爾效應(yīng)實驗的一般測試方法，即在絕緣薄膜上采用電子束蒸鍍的方法制備背柵電極、源極和漏極以及輸出電極，沿絕緣薄膜長度方向通以恒定電流，同時保持外磁場為零，測試垂直于恒定電流方向的霍爾電阻，該電阻即為反?；魻栯娮?。
[0019]以下實施例中絕緣基底的材料不做特殊限制，只要足以支撐采用分子束外延的方法制備含有Fe的納米薄膜材料即可；例如可以是鈦酸鍶、鈦酸鋇、剛玉、(人造)金剛石等；為了與對比例對照效果突出，都選用了剛玉做為絕緣基底的材料。
[0020]以下實施例的制備方法均采用同一方法制備，即:
(1)選取絕緣基底材料，使其表面為(111)晶面，并在小于90°C的去離子水中加熱I小時，然后在氧氣和氬氣氛圍中1000°C°C灼燒2小時；然后放置于真空度大于KT8Torr的分子束外延系統(tǒng)過渡腔中；
(2)將基底加熱到400°C，保溫I小時，進行除氣處理；
(3)將基底轉(zhuǎn)入生長室，同時準備Fe、Cr、B1、Sb、Se材料；
(4)將生長室的真空度調(diào)整到KT9Torr以上，在分子束外延腔體中同時形成Fe、Cr、B1、Sb、Se的束流，控制其流量，在基底上生長出原子級光滑的FexCry(BizSbh)2IySe3薄膜，整個過程保持基底的溫度為150-250°C范圍內(nèi)；其中0〈x〈0.05,0.l<y<0.3,0.1〈ζ〈0.3，且1: l<z:y<2:1,薄膜的厚度為 5-50nm ；
(5)外延生長結(jié)束后，仍然保持基底的溫度I小時以上。
[0021]實施例1
一種含有Fe的納米薄膜材料，基底為剛玉，制得的薄膜為Fe0.005Cr0.21 (Bi0.13Sb0.87) L 785Se3，厚度為5納米。
[0022]在溫度為40K下，外加磁場強度為零，測得最大的霍爾電阻約為23.0k Ω。
[0023]實施例2
一種含有Fe的納米薄膜材料，基底為剛玉，制得的薄膜為Fe0.015Cr0.28(Bi0.23Sb0.77)L 705Se3，厚度為35納米。
[0024]在溫度為40K下，外加磁場強度為零，測得最大的霍爾電阻約為25.8k Ω。
[0025]實施例3
一種含有Fe的納米薄膜材料基底為剛玉，制得的薄膜為Feaci45Crail(Bia23Sba77)h 845Se3，厚度為50納米。
[0026]在溫度為40K下，外加磁場強度為零，測得最大的霍爾電阻約為25.0k Ω。
[0027]實施例4
一種含有Fe的納米薄膜材料基底為剛玉，制得的薄膜為Fe0.02Cr0.18(Bi0.13Sb0.87)L8Se3,厚度為18納米。
[0028]在溫度為50K下，外加磁場強度為零，測得最大的霍爾電阻約為25.8k Ω。
[0029]實施例5
一種含有Fe的納米薄膜材料，基底為剛玉，制得的薄膜為Fe0.025Cr0.16(Bi0.26Sb0.74)L815Se3，厚度為9納米。
[0030]在溫度為50K下，外加磁場強度為零，測得最大的霍爾電阻約為22.3kΩ。
[0031]實施例6
一種含有Fe的納米薄膜材料，基底為剛玉，制得的薄膜為Fe0.04Cr0.18(Bi0.16Sb0.84)L78Se3，厚度為28納米。
[0032]在溫度為50K下，外加磁場強度為零，測得最大的霍爾電阻約為25.8k Ω。
[0033]對比例I
一種含有Fe的納米薄膜材料，基底為剛玉，制得的薄膜為Cra2 (Bia21Sba79) USe3，厚度為29納米。
[0034]在溫度為50K下，外加磁場強度為零，未觀測到量子反?；魻栃?yīng)。
[0035]對比例2
一種含有Fe的納米薄膜材料，基底為剛玉，制得的薄膜為Crai6(Bia AH84Te3，厚度為45納米。
[0036]在溫度為30K下，外加磁場強度為零，未觀測到量子反?；魻栃?yīng)。
[0037]對比例3
一種含有Fe的納米薄膜材料，基底為剛玉，制得的薄膜為Cra36(Bia33Sba Jh64Se3，厚度為15納米。[0038]在溫度為15K下，外加磁場強度為零，未觀測到量子反常霍爾效應(yīng)。
[0039]從以上實施例和對比例中可以看出，實施例在本實驗條件下，得到的含有Fe的納米薄膜材料的反常霍爾電阻可以達到20kQ以上，即達到了量子反?；魻栃?yīng)；而對比例在本實驗條件下均觀測到量子反常霍爾效應(yīng)。
[0040]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種含有Fe的納米薄膜材料，其特征在于:包括絕緣基底以及鍍在絕緣基底表面的納米薄膜；所述納米薄膜的化學(xué)式由FexCry(BizSbh)2IySe3表示，其中0〈x〈0.05,0.l<y<0.3,0.1<ζ<0.3,且l:l〈Z:y〈2:l，所述納米薄膜鍍在絕緣基底表面的厚度為5_50nmo
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有Fe的納米薄膜材料，其特征在于:所述絕緣基底可以是鈦酸鍶、鈦酸鋇、剛玉或者金剛石中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有Fe的納米薄膜材料，其特征在于:所述絕緣基底的厚度為 0.l-10mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有Fe的納米薄膜材料，其特征在于:0.005<x<0.045。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有Fe的納米薄膜材料，其特征在于:0.ll〈y〈0.28。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有Fe的納米薄膜材料，其特征在于:0.11<ζ<0.26。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有Fe的納米薄膜材料，其特征在于:所述納米薄膜鍍在絕緣基底表面的厚度為35 - 50nm。
8.—種權(quán)利要求1?7中任一項所述的含有Fe的納米薄膜材料的制備方法，其特征在于:其制備步驟包括如下: (1)選取絕緣基底材料，使其表面為(111)晶面，并在小于50-90°C的去離子水中加熱I至2小時，然后在氧氣和氬氣氛圍中800-1200°C灼燒2至3小時；然后放置于真空度大于10_8Torr的分子束外延系統(tǒng)過渡腔中； (2)將基底加熱到400°C，保溫I小時，進行除氣處理； (3)將基底轉(zhuǎn)入生長室，同時準備Fe、Cr、B1、Sb、Se材料； (4)將生長室的真空度調(diào)整到KT9Torr以上，在分子束外延腔體中同時形成Fe、Cr、B1、Sb、Se的束流，控制其流量，在基底上生長出原子級光滑的FexCry(BizSbh)2IySe3薄膜，整個過程保持基底的溫度為150-250°C范圍內(nèi)；其中0〈x〈0.05,0.l<y<0.3,0.1〈ζ〈0.3，且1: l<z:y<2:1,薄膜的厚度為 5-50nm ； (5)步驟(4)結(jié)束后，仍然保持基底的溫度I小時以上即可。
9.根據(jù)權(quán)利要求8中所述的含有Fe的納米薄膜材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中的氧氣和氬氣氛圍中的灼燒溫度為1000°C。
【文檔編號】H01L49/02GK103647023SQ201310610481
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】楊衛(wèi)國 申請人:江蘇科技大學(xué)