專利名稱：具有低溫磁電阻效應(yīng)的外延Ti<sub>0.53</sub>Cr<sub>0.47</sub>N薄膜材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自旋電子學(xué)材料技術(shù)，特別是一種具有較高自旋極化率的新型鐵磁材料及制備方法，更具體地，是一種具有低溫磁電阻效應(yīng)的Tia53Cra47N外延薄膜材料及制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，由于在磁信息存儲和讀取方面具有巨大的應(yīng)用前景，自旋電子學(xué)材料備受關(guān)注。2007年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了自旋電子學(xué)的開創(chuàng)者Albert !^ert和Peter Grunberg兩位教授?，F(xiàn)在，如何獲取高自旋極化的電流仍然是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的熱點問題之一。獲得高自旋注入的辦法主要有選擇高自旋極化率的電極材料，特別是能和半導(dǎo)體材料復(fù)合在一起的具有高自旋極化率的鐵磁性材料。第一性原理計算表明，F(xiàn)e3O4、La1^xAxMnO3 (LAM0，A為堿土元素Ca、Sr和Ba等)、 CrO2, NiMnSb等材料的能帶結(jié)構(gòu)介于金屬和絕緣體之間，被稱為半金屬材料。對于一個自旋方向，半金屬材料的能帶結(jié)構(gòu)具有金屬特性，在費(fèi)米面附近具有一定的態(tài)密度；而對另一種自旋方向，其能帶結(jié)構(gòu)具有絕緣體特性，在費(fèi)米面附近態(tài)密度為零或電子是局域化的。因此，從理論上講，半金屬材料應(yīng)具有100%的自旋極化率。但是迄今為止，對于!^e3O4材料， 在實驗上并沒有得到高的自旋極化率，也不清楚!^e3O4是否具有半金屬特性，尤其是在室溫條件下。LAMO和CrO2材料的居里溫度都比較低，不能滿足實際應(yīng)用的要求。Heusler合金的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格也比較貴，不容易制備，并不利于實際生產(chǎn)。因此，尋找具有高自旋極化率的新型鐵磁性電極材料是進(jìn)一步發(fā)展自旋電子學(xué)器件的關(guān)鍵因素和研究熱點。氮化鈦晶體屬立方晶系，面心立方結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a = 0. 42173nm。氮化鈦薄膜具有優(yōu)異的機(jī)械、熱、電和防腐性能，由于硬度高、摩擦系數(shù)低，被廣泛用作模具、刀具等的耐磨改性層；由于抗磨損、防腐性能好、熔點高、高溫穩(wěn)定性好，被廣泛用于飛行器和火箭等航空航天零部件；由于導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，在微電子領(lǐng)域中常用作阻擋層。如果將磁性元素?fù)诫s到氮化鈦體系中，如能獲得即具有磁性有導(dǎo)電的材料，將會推動氮化鈦材料的新用途。目前，國內(nèi)外的實驗報道中只有日本的K. Inumaru等人在APPLIED PHYSICS LETTERS 91，152501 (2007)上報道的采用脈沖激光沉積方法制備高Cr含量摻雜的TiN外延薄膜中發(fā)現(xiàn)磁電阻現(xiàn)象；為了對比研究他們還在PHYSICAL REVIEW B 78,052406(2008)上報道了采用化學(xué)方法制備的高Cr含量摻雜的TiN固溶體中發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。但是樣品的居里溫度低于室溫，不能達(dá)到實際應(yīng)用的要求。另外，實際應(yīng)用中多以薄膜材料為主，制備方法多采用濺射法。但到目前為止國際上并沒有關(guān)于采用濺射法制備Cr摻雜TiN外延薄膜的相關(guān)報道。
發(fā)明內(nèi)容
從工業(yè)化生產(chǎn)的角度來講，需要使用濺射法來制備樣品；從實際應(yīng)用上需要制備的樣品具有較高的自旋極化率。本發(fā)明即從以上兩個目的出發(fā)，開發(fā)了反應(yīng)磁控濺射法制備Tia53Cra47N外延薄膜，并且觀察到低溫磁電阻效應(yīng)，證明具有較高的自旋極化率。本發(fā)明制備的具有低溫磁電阻效應(yīng)的外延薄膜材料，材料為Tia53Cra47N,在溫度為漲和磁場為50k0e下，磁電阻為6%。Tia53Cra47N外延薄膜材料的制備方法，方法如下本發(fā)明在制備Tia 53Cr0.47N外延薄膜時，所采用的基底材料為MgO (100)單晶片。本發(fā)明的具體制備方法是經(jīng)過如下步驟實現(xiàn)的Tia53Cra47N外延薄膜材料的制備方法，方法如下1)采用中科院沈陽科學(xué)儀器研制中心生產(chǎn)的DPS-III型超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機(jī)，基底材料為MgO (100)單晶片，在對向的靶頭上安裝一對純度為99. 99 %的Ti靶， 一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極；Ti靶材厚度為4mm，直徑為60mm ；為了摻入Cr，在 Ti靶的表面均勻放置Cr片，Cr片的面積為6mm2，Cr片的數(shù)量為200片，通過成分分析得到樣品中Cr相對于Cr和Ti原子數(shù)總和的原子百分含量為47%;兩個靶之間的距離為80mm， 靶的軸線與放有MgO基底材料的樣品架之間的距離為80mm ；2)將MgO基底材料通過超聲波的方式將表面雜質(zhì)清除后，將MgO基底材料安裝在對向靶連線的中垂線處的基片架上；3)開啟DPS-III超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機(jī)，先后啟動一級機(jī)械泵和二級分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度優(yōu)于6X 10-6 ；4)向真空室通入純度為99. 999%的Ar和N2的混合氣體，將真空度保持在lPa，其中Ar氣的流量為50sccm，N2氣的流量為50sccm ；5)將MgO基底材料溫度以10°C /秒的速度升至550°C ；6)開啟濺射電源，在一對Ti靶上施加0. 2A的電流和800V的直流電壓，預(yù)濺射10 分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；7)打開基片架上的檔板開始濺射，MgO基底材料位置固定；8)濺射結(jié)束后，關(guān)閉基片架上的檔板，然后關(guān)閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar 和N2,完全打開閘板閥，繼續(xù)抽真空，并且將MgO基底材料溫度以5°C /min的降溫速率降至室溫，然后關(guān)閉真空系統(tǒng)。向真空室充入純度為99. 999%的氮氣，打開真空室，取出MgO基底材料上外延生長的Tia53Cra47N薄膜樣品。本發(fā)明所涉及的Tia 53Cr0.47N外延薄膜在自旋電子學(xué)器件上具有應(yīng)用價值，例如在磁性隨機(jī)存儲器中可以作為自旋注入材料層，并且本發(fā)明采用反應(yīng)濺射法是工業(yè)上生產(chǎn)薄膜材料的方法、靶材選擇簡單和靶材使用率較高等優(yōu)點。為確認(rèn)本發(fā)明最佳的實施方案，我們對本發(fā)明所制備的薄膜進(jìn)行了 X射線衍射， 磁性質(zhì)和電輸運(yùn)特性的測量。圖1給出了本發(fā)明中制備的Tia53Cra47N外延薄膜的X射線衍射譜。從圖中可以看出，只出現(xiàn)了 Tia53Cra47NOOO)和G00)的衍射峰，說明樣品為外延生長的薄膜樣品。圖2給出了本發(fā)明中制備的Tia53Cra47N外延薄膜在15K下的磁化曲線。從圖中可以看出，樣品表現(xiàn)為鐵磁性。圖3給出了本發(fā)明制備的Tia53Cra47N外延薄膜的電阻率隨溫度的變化關(guān)系曲線。 從圖中可以看出，在高溫處，樣品的電阻率隨著溫度的降低而降低，在120K處出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，并在低溫處，出現(xiàn)電阻率隨著溫度的降低而升高的現(xiàn)象。圖4給出了本發(fā)明制備的Tia53Cra47N外延薄膜的漲下的磁電阻隨外加磁場的變化關(guān)系曲線。從圖中可以看出，樣品的磁電阻為6%，并且在50k0e的磁場下仍然未達(dá)到飽和。與其它方法制備的Tia53Cr“小外延薄膜的方法相比，本發(fā)明所制備的薄膜具有低溫磁電阻效應(yīng)，所采用的方法簡單實用，有利于在工業(yè)生產(chǎn)上的推廣。具體如下由于目前工業(yè)化生產(chǎn)所采用的主要方法是濺射法，本發(fā)明所采用的反應(yīng)濺射法， 與 K. humaru 等人在 APPLIED PHYSICS LETTERS 91,152501 (2007)和 PHYSICAL REVIEW B 78,052406(2008)上報道的脈沖激光沉積和化學(xué)方法相比，在工業(yè)化生產(chǎn)上具有明顯優(yōu)勢。
圖1給出了本發(fā)明中制備的Tia53Cra47N外延薄膜的X射線衍射譜。圖2給出了本發(fā)明中制備的Tia53Cra47N外延薄膜在15K下的磁化曲線。圖3給出了本發(fā)明制備的Tia53Cra47N外延薄膜的電阻率隨溫度的變化關(guān)系曲線。圖4給出了本發(fā)明制備的Tia53Cra47N外延薄膜的漲下的磁電阻隨外加磁場的變化關(guān)系曲線。
具體實施例方式根據(jù)我們對本發(fā)明中所制備的樣品進(jìn)行的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分析，下面將對向靶反應(yīng)濺射方法制備Tia53Cra47N外延薄膜的最佳實施方式進(jìn)行詳細(xì)地說明1、采用中科院沈陽科學(xué)儀器研制中心生產(chǎn)的DPS-III型超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機(jī)，基底材料為MgO(100)單晶片，在對向的靶頭上安裝一對純度為99. 99%的Ti靶， 一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極；Ti靶材厚度為4mm，直徑為60mm ；為了摻入Cr，在 Ti靶的表面均勻放置Cr片，Cr片的面積為6mm2，Cr片的數(shù)量為200片，通過成分分析得到樣品中Cr相對于Cr和Ti原子數(shù)總和的原子百分含量為47%;兩個靶之間的距離為80mm， 靶的軸線與放有MgO基底材料的樣品架之間的距離為80mm ；2、將MgO基底材料通過超聲波的方式將表面雜質(zhì)清除后，將MgO基底材料安裝在對向靶連線的中垂線處的基片架上；3、開啟DPS-III超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機(jī)，先后啟動一級機(jī)械泵和二級分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度優(yōu)于6X 10-6 ；4、向真空室通入純度為99. 999%的Ar和N2的混合氣體，將真空度保持在lPa，其中Ar氣的流量為50sccm，N2氣的流量為50sccm ；5、將MgO基底材料溫度以10°C /秒的速度升至550°C ；6、開啟濺射電源，在一對Ti靶上施加0. 2A的電流和800V的直流電壓，預(yù)濺射10 分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；7、打開基片架上的檔板開始濺射，MgO基底材料位置固定；8、濺射結(jié)束后，關(guān)閉基片架上的檔板，然后關(guān)閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar 和N2,完全打開閘板閥，繼續(xù)抽真空，并且將MgO基底材料溫度以5°C /min的降溫速率降至室溫，然后關(guān)閉真空系統(tǒng)。向真空室充入純度為99. 999%的氮氣，打開真空室，取出MgO基底材料上外延生長的Tia53Cra47N薄膜樣品。 我們對本發(fā)明所制備的薄膜進(jìn)行了 X射線衍射，磁性質(zhì)和電輸運(yùn)特性的測量，結(jié)果如圖1、2、3、4所述。
權(quán)利要求
1.具有低溫磁電阻效應(yīng)的外延薄膜材料，其特征是外延薄膜材料為Tia53Cra47N,在溫度為漲和磁場為50k0e下，磁電阻為6%。
2.權(quán)利要求1的外延薄膜材料的制備方法，其特征是方法如下1)采用中科院沈陽科學(xué)儀器研制中心生產(chǎn)的DPS-III型超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機(jī)，基底材料為MgO (100)單晶片，在對向的靶頭上安裝一對純度為99. 99%的Ti靶，一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極；Ti靶材厚度為4mm，直徑為60mm ；為了摻入Cr，在Ti靶的表面均勻放置Cr片，Cr片的面積為6mm2，Cr片的數(shù)量為200片，通過成分分析得到樣品中Cr相對于Cr和Ti原子數(shù)總和的原子百分含量為47%;兩個靶之間的距離為80mm，靶的軸線與放有MgO基底的基片架之間的距離為80mm ；2)將MgO基底材料通過超聲波的方式將表面雜質(zhì)清除后，將MgO基底材料安裝在對向靶連線的中垂線處的基片架上；3)開啟DPS-III超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機(jī)，先后啟動一級機(jī)械泵和二級分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度優(yōu)于6X 10-6 ；4)向真空室通入純度為99.999%的Ar和N2的混合氣體，將真空度保持在lPa，其中Ar 氣的流量為50sccm，N2氣的流量為50sccm ；5)將MgO基底材料溫度以10°C/秒的速度升至550°C ；6)開啟濺射電源，在一對Ti靶上施加0.2A的電流和800V的直流電壓，預(yù)濺射10分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；7)打開基片架上的檔板開始濺射，MgO基底材料位置固定；8)濺射結(jié)束后，關(guān)閉基片架上的檔板，然后關(guān)閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar和N2, 完全打開閘板閥，繼續(xù)抽真空，并且將MgO基底材料溫度以5°C /min的降溫速率降至室溫， 然后關(guān)閉真空系統(tǒng)。向真空室充入純度為99. 999%的氮氣，打開真空室，取出MgO基底上外延生長的Tia53Cra47N薄膜樣品。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有低溫磁電阻效應(yīng)的Ti0.53Cr0.47N外延薄膜材料及制備方法。外延薄膜材料為Ti0.53Cr0.47N，在溫度為5K和磁場為50kOe下，磁電阻為6％。采用中科院沈陽科學(xué)儀器研制中心生產(chǎn)的DPS-III型超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機(jī)，基底材料為MgO(100)單晶片，在對向的靶頭上安裝一對純度為99.99％的Ti靶，一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極；在Ti靶的表面均勻放置Cr片，通過抽真空、預(yù)濺射、溫度調(diào)整、電流電壓的控制等條件的選擇，制備了MgO基底材料上外延生長的Ti0.53Cr0.47N薄膜樣品。本發(fā)明所制備的薄膜具有低溫磁電阻效應(yīng)，所采用的方法簡單實用，有利于在工業(yè)生產(chǎn)上的推廣。
文檔編號C23C14/06GK102418069SQ20111032575
公開日2012年4月18日 申請日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者段秀峰, 白海力, 米文博 申請人:天津大學(xué)