具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的磁性氮化鋁薄膜材料及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新材料領(lǐng)域，涉及一種具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的磁性氮化鋁薄膜材料及制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前稀磁半導(dǎo)體是電子信息、新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，大家都在尋找高居里溫度、室溫穩(wěn)定性好，自旋注入效率高的稀磁半導(dǎo)體。然而，已發(fā)現(xiàn)的稀磁半導(dǎo)體中，GaAs體系為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，屬立方晶系，自旋注入效率高，但磁性弱、居里溫度低；以氧化鋅為代表的氧化物，雖然有室溫鐵磁性，但磁性行為接近超順磁特性，還無法進(jìn)行有效的自旋注入，其重要原因在于ZnO等材料晶體結(jié)構(gòu)的對稱性都比閃鋅礦結(jié)構(gòu)差。已報導(dǎo)的稀磁半導(dǎo)體GaN的晶體結(jié)構(gòu)也屬于六角晶系，磁性弱且接近超順磁特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的磁性氮化鋁薄膜材料及制備方法與應(yīng)用。
[0004]本發(fā)明提供的Sc摻雜的氮化鋁，其中，所述Sc摻雜的氮化鋁的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，且所述Sc元素占據(jù)晶格中部分A1元素的位置。
[0005]上述Sc摻雜的氮化鋁中，所述Sc元素與A1元素的摩爾比為76:24 ;
[0006]所述A1元素與Sc元素的總摩爾量與N元素的摩爾量的比例為1:1。
[0007]該Sc摻雜的氮化鋁的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，為A1的面心立方格子與N的面心立方格子套構(gòu)而成，其中N的子格子沿A1子格子的對角線移動1/4對角線長度的距離，Sc摻雜進(jìn)入A1N晶格，其陽離子替代晶格中A1的位置。
[0008]所述Sc摻雜的氮化鋁薄膜材料的厚度為20nm ；
[0009]所述Sc摻雜的氮化鋁薄膜材料的居里溫度為124°C。
[0010]上述Sc摻雜的氮化鋁也可為按照如下方法制備而得的產(chǎn)品。
[0011]本發(fā)明提供的制備所述Sc摻雜的氮化鋁的方法，其中，方法一包括如下步驟:
[0012]將A1粉和Sc粉按照前述配比制得靶材后，以襯底的(111)面為外延面，在襯底上進(jìn)行沉積，沉積完畢后自然冷卻得到所述Sc摻雜的氮化鋁薄膜材料。
[0013]方法二包括如下步驟:
[0014]將A1N和ScN粉末按照前述配比制得靶材后，以襯底的(111)面為外延面，在襯底上進(jìn)行沉積，沉積完畢后自然冷卻得到所述Sc摻雜的氮化鋁薄膜材料。
[0015]構(gòu)成所述襯底的材料為MgO、NaCl、CrN或TiN。
[0016]所述方法一中，沉積的方法為磁控濺射法，具體為射頻磁控濺射法；沉積的氣氛為由氮?dú)夂蜌鍤饨M成的混合氣氛，氮?dú)夂蜌鍤獾姆謮罕葹?:3 ;真空度為0.3-100Pa，具體為3Pa ;沉積溫度為600-800°C ；
[0017]所述方法二中，沉積的方法為脈沖激光沉積法；沉積的氣氛為氮?dú)鈿夥?；真空度?18-30Pa，具體為 30Pa、25Pa 或 18Pa ;沉積溫度為 670_780°C，具體為 670°C、750°C 或780。。。
[0018]上述本發(fā)明提供的Sc摻雜的氮化鋁在制備自旋器件中的應(yīng)用及含有所述Sc摻雜的氮化鋁的磁性材料，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0019]本發(fā)明制備的是一種具有閃鋅礦的稀磁自旋半導(dǎo)體材料，這種閃鋅礦結(jié)構(gòu)的材料居里溫度高、室溫穩(wěn)定性好，自旋注入效率高，已報導(dǎo)的稀磁半導(dǎo)體GaN的晶體結(jié)構(gòu)屬于六角晶系，磁性弱且接近超順磁特性，因此，本發(fā)明具有廣闊的應(yīng)用前景。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法。所述原材料如無特別說明均能從公開商業(yè)途徑而得。
[0021]實(shí)施例1、
[0022]將A1粉和Sc粉以摩爾比為76:24的比例混合，燒結(jié)成靶材后，選用NaCl作為襯底，在真空度為3Pa的氮?dú)夂蜌鍤?分壓比為1:3)混合氣氛中，以NaCl的(111)面為外延面，采用射頻磁控濺射的沉積方法，在襯底上進(jìn)行沉積，沉積溫度為600°C，沉積完畢后自然冷卻，在NaCl襯底上得到厚度為20nm的Sc摻雜的氮化鋁薄膜。
[0023]該Sc摻雜的氮化鋁薄膜的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，為A1的面心立方格子與N的面心立方格子套構(gòu)而成，其中N的子格子沿A1子格子的對角線移動1/4對角線長度的距離，Sc摻雜進(jìn)入A1N晶格，其陽離子替代晶格中A1的位置。
[0024]用SQUID和VSM儀器測得該薄膜的居里溫度為124°C。
[0025]實(shí)施例2、
[0026]將A1N和ScN粉末以A1:Sc摩爾比為76:24的比例混合，燒結(jié)成靶材后，以MgO襯底，沉積方法為脈沖激光沉積，沉積時的真空度為30Pa，沉積氣氛為純氮?dú)鈿夥?，以MgO的(111)面為外延面，沉積溫度為750°C，所得Sc摻雜的氮化鋁薄膜的厚度為20nm。
[0027]該Sc摻雜的氮化鋁薄膜的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，為A1的面心立方格子與N的面心立方格子套構(gòu)而成，其中N的子格子沿A1子格子的對角線移動1/4對角線長度的距離，Sc摻雜進(jìn)入A1N晶格，其陽離子替代晶格中A1的位置。
[0028]用SQUID和VSM儀器測得該薄膜的居里溫度為124°C。
[0029]實(shí)施例3、
[0030]按照實(shí)施例2的步驟，僅將構(gòu)成襯底的材料替換為CrN，沉積時的真空度替換為25Pa，沉積溫度替換為780°C，所得Sc摻雜的氮化鋁薄膜的厚度為20nm。
[0031]該Sc摻雜的氮化鋁薄膜的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，為A1的面心立方格子與N的面心立方格子套構(gòu)而成，其中N的子格子沿A1子格子的對角線移動1/4對角線長度的距離，Sc摻雜進(jìn)入A1N晶格，其陽離子替代晶格中A1的位置。
[0032]用SQUID和VSM儀器測得該薄膜的居里溫度為124°C。
[0033]實(shí)施例4、
[0034]按照實(shí)施例2的步驟，僅將構(gòu)成襯底的材料替換為TiN，沉積時的真空度替換為18Pa，沉積溫度替換為670°C，所得Sc摻雜的氮化鋁薄膜的厚度為20nm。
[0035]該Sc摻雜的氮化鋁薄膜的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，為A1的面心立方格子與N的面心立方格子套構(gòu)而成，其中N的子格子沿A1子格子的對角線移動1/4對角線長度的距離，Sc摻雜進(jìn)入A1N晶格，其陽離子替代晶格中A1的位置。
[0036]用SQUID和VSM儀器測得該薄膜的居里溫度為124°C。
【主權(quán)項】
1.一種Sc摻雜的氮化鋁薄膜材料，其特征在于:所述Sc摻雜的氮化鋁的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，且所述Sc元素占據(jù)晶格中部分A1元素的位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鋁薄膜材料，其特征在于:所述A1元素與Sc元素的摩爾比為76:24 ； 所述A1元素與Sc元素的總摩爾量與N元素的摩爾量的比例為1:1。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化鋁薄膜材料，其特征在于:所述Sc摻雜的氮化鋁薄膜材料的厚度為20nm ； 所述Sc摻雜的氮化鋁薄膜材料的居里溫度為124°C。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化鋁，其特征在于:所述具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Sc摻雜的氮化鋁為按照權(quán)利要求5-8任一所述方法制備而得。5.一種制備權(quán)利要求1-3任一所述Sc摻雜的氮化鋁薄膜材料的方法，為方法一或方法 其中，方法一包括如下步驟: 將A1粉和Sc粉按照權(quán)利要求2所述配比制得靶材后，以襯底的(111)面為外延面，在襯底上進(jìn)行沉積，沉積完畢后自然冷卻得到所述Sc摻雜的氮化鋁薄膜材料； 方法二包括如下步驟: 將A1N和ScN粉末按照權(quán)利要求2所述配比制得靶材后，以襯底的(111)面為外延面，在襯底上進(jìn)行沉積，沉積完畢后自然冷卻得到所述Sc摻雜的氮化鋁薄膜材料。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:構(gòu)成所述襯底的材料為MgO、NaCl、CrN或TiN。7.根據(jù)權(quán)利要求5-6任一所述的方法,其特征在于:所述方法一中，沉積的方法為磁控濺射法；沉積的氣氛為由氮?dú)夂蜌鍤饨M成的混合氣氛，氮?dú)夂蜌鍤獾姆謮罕葹?:3 ;真空度為0.3-100Pa，具體為3Pa ;沉積溫度為600-800°C。8.根據(jù)權(quán)利要求5-7任一所述的方法，其特征在于:所述方法二中，沉積的方法為脈沖激光沉積法；沉積的氣氛為氮?dú)鈿夥眨徽婵斩葹?8-30Pa，具體為30Pa、25Pa或18Pa ;沉積溫度為 670-780°C，具體為 670°C、750°C或 780°C。9.權(quán)利要求1-4任一所述Sc摻雜的氮化鋁在制備自旋器件中的應(yīng)用。10.含有權(quán)利要求1-4任一所述Sc摻雜的氮化鋁的磁性材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的磁性氮化鋁薄膜材料及制備方法與應(yīng)用。該Sc摻雜的氮化鋁中，所述Sc摻雜的氮化鋁的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，且所述Sc元素占據(jù)晶格中部分Al元素的位置。Sc與Al的摩爾比為76：24；所述(Al+Sc)元素與氮元素的摩爾比為1：1。本發(fā)明制備的是一種具有閃鋅礦的稀磁自旋半導(dǎo)體材料，這種閃鋅礦結(jié)構(gòu)的材料居里溫度高、室溫穩(wěn)定性好，自旋注入效率高，已報導(dǎo)的稀磁半導(dǎo)體GaN的晶體結(jié)構(gòu)屬于六角晶系，磁性弱且接近超順磁特性，因此，本發(fā)明具有廣闊的應(yīng)用前景。
【IPC分類】C01B21/072, C23C14/35, H01F10/18, C23C14/28, C23C14/08
【公開號】CN105483615
【申請?zhí)枴緾N201410478795
【發(fā)明人】曾飛, 劉宏燕, 王光月, 潘峰
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2014年9月18日