一种拓扑绝缘体/铁磁体异质结构薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于拓扑绝缘体材料制备技术领域，尤其属于拓扑绝缘体Bi2SeJ^膜的制备技术领域。
【背景技术】
[0002]拓扑绝缘体Bi2Se3在块材内部是有能隙的绝缘态，而其表面却存在无能隙的金属态。这种奇特的表面态是由于强自旋耦合，受时间反演对称保护，因此不易受到体系中的缺陷、非磁性杂质等外界环境的影响。这些特点使其在未来低能耗的自旋电子器件及量子计算机中有着广泛的应用前景。然而，要充分利用拓扑绝缘结构的特点，实现其在低能耗的自旋电子器等领域的关键应用，先决条件是在拓扑绝缘体中保持拓扑序的同时引入铁磁序。在不破坏表面态及不产生团簇和第二相的基础上，在拓扑绝缘体Bi2Se3表面上引入磁性结构主要是通过近邻效应来实现，其主要手段是制备拓扑绝缘体和铁磁体异质结构。
[0003]探索异质结构的可重复的优良制备方法，可为未来器件应用奠定基础。目前，大量的薄膜研究都是基于分子束外延(MBE)技术在真空环境中通过把热蒸发产生的原子或分子束投射到具有一定取向、一定温度的清洁衬底上而生成薄膜材料，但MBE技术由于要得到气体杂质污染少、纯度高的外延膜而需要极限真空条件，需要高精密的真空栗，设备昂贵、能量消耗大、成本高。因此，开发低成本的方法以制备性能优良的拓扑绝缘体与铁磁体异质结构，具有重要的科学意义和工程价值。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种拓扑绝缘体/铁磁体异质结构薄膜的制备方法。该方法能够在基底上外延生长出性能良好的Bi2Se3Aaa7Sra3MnO3薄膜，且制备方法简单，成本低。
[0005]本发明实现其发明目的所采用的技术方案是:一种拓扑绝缘体/铁磁体异质结构薄膜的制备方法，其步骤是:
[0006]a、制备Laa7Sra3MnO3薄膜:将硝酸镧，硝酸锶和硝酸锰按镧、锶、锰离子数量比为7:3:10的配比，溶解在N，N-二甲基甲酰胺中，形成Laa7Sra3MnO3溶液；在Laa7SrQ.3Mn03溶液中加入质量为所述1^。.决。.鄭03溶液质量的3% -7%的聚乙烯吡咯烷酮K30，形成胶体；再将胶体旋涂在基底上，置于红外干燥箱中干燥；将干燥后的基底片置于管式炉中，依次在160-220°C 下保温 8-12min，缓慢加热至 500-540°C保温 18_22min，830-870°C 下保温 l_2h，退火处理，即得La。.7Sra 3Μη03薄膜；
[0007]b、沉积Bi2Se3薄膜:将a步中制得的Laa7Sra3MnO3薄膜放入磁控派射仪，在磁控派射仪的派射IE上安装Bi2Se3IE!材，通过磁控派射方法在La α 7Sr。.3Μη03薄膜上沉积Bi #63薄膜，得至Ij Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03异质结构薄膜；
[0008]C、后退火处理:将b步所得的扮2363/1^。.731'。.3]/[1103异质结构薄膜和0.01-0.05g粒径为1-1.5_的砸粒一起封入气压小于IX 10 2Pa的真空石英管中，置于管式炉中进行后退火处理。
[0009]本发明的原理是:a步通过化学法制备Laa7Sra3MnO3薄膜，加入聚乙稀卩比略烧酮K30可控制反应速度，防止反应过快形成沉淀，再进行干燥退火得到致密均匀的薄膜；b步通过磁控派射在Laa7Sra3MnO3薄膜上派射一层Bi 2Se3薄膜，在选用的沉积条件下可以制得表面平整、致密、无孔洞的薄膜；c步的后退火处理可以使原子重新排列得到结晶性能良好的薄膜，后退火处理时加入砸粒是为了在富砸环境下生长来减少砸空位。
[0010]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0011]—、本发明在钙钛矿锰氧化合物(Laa7Sra3MnO3简称LSM0)薄膜上溅射拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜，形成双层膜异质结构，在保持拓扑绝缘体Bi2Se3拓扑序的同时引入铁磁序Laa7Sra3MnO3,为实现拓扑绝缘体Bi2Se^低能耗的自旋电子器等领域的应用奠定了基础。
[0012]二、本发明采用的磁控溅射技术，在溅射过程中，入射到衬底表面的原子具有较高的能量，这提高了沉积时原子的扩散能力，薄膜与基底之间的附着性良好，薄膜平整致密，无孔洞。
[0013]三、本发明的制备过程所要求的真空度仅为10 4Pa数量级，远远小于MBE所要求的18Pa,对设备的要求大大降低，大幅减少了能量的消耗和制备成本。
[0014]本发明所述a步中退火处理是指直接随炉冷却，这样的退火处理方式可以得到比较均匀致密的薄膜。
[0015]本发明所述a步中旋涂胶体制备Laa7Sra3MnO3薄膜的基底为招酸镧LaAlO 3单晶基底。
[0016]Laa7Sra3MnOjP LaAlO 3的晶格匹配较好，La a7SrQ.3Mn03可以在 LaAlO 3上单一取向生长，而不是无规则的取向，这使得薄膜的表面形貌更好。
[0017]本发明所述b步中通过磁控派射方法在Laa7Sra3MnO3薄膜上沉积Bi 2Se3薄膜的沉积条件为:距离6-lOcm，射频功率5-8W/cm2，溅射时间60_600s，工作气体为纯度为99.995%的氩气，工作气压0.4-0.6Pa，基底温度280-320 °C。
[0018]上述沉积条件下可以制得表面平整、致密、无洞的薄膜。
[0019]本发明所述c步中后退火处理的具体操作是:以3°C /min升至280°C _320°C，保温l_3h，然后炉冷(随炉冷却)，即得。
[0020]由于溅射所得到的薄膜是非晶的，通过上述条件的后退火处理可以使原子重新排列得到结晶良好的薄膜。
[0021]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
【附图说明】
[0022]图1是本发明实施例一的Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03薄膜的X射线衍射图谱。
[0023]图2是本发明实施例一的Bi2Se3Aaa7SrQ.3Mn03薄膜的5000倍扫描电子显微镜(SEM)照片。
[0024]图3是本发明实施例二的Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03薄膜的X射线衍射图谱。
[0025]图4是本发明实施例二的Bi2Se3Aaa7SrQ.3Mn03薄膜的5000倍扫描电子显微镜(SEM)照片。
[0026]图5是本发明实施例三的Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03薄膜的X射线衍射图谱。
[0027]图6是本发明实施例三的Bi2Se3Aaa7SrQ.3Mn03薄膜的5000倍扫描电子显微镜(SEM)断面照片。
[0028]图1，3，5的纵坐标为衍射强度(Intensity)、任意单位(a.u.);横坐标为衍射角2 Θ，单位为度(deg) ο
【具体实施方式】
[0029]实施例一
[0030]—种拓扑绝缘体/铁磁体异质结构薄膜的制备方法，其步骤是:
[0031]a、制备Laa7Sra3MnO3薄膜:将硝酸镧，硝酸锶和硝酸锰按镧、锶、锰离子数量比为7:3:10的配比，溶解在N，N- 二甲基甲酰胺中，形成1^。.决。.鄭03溶液；在Lall7Sra3MnO3溶液中加入质量为所述1^。.决。.鄭03溶液质量的3%的聚乙烯吡咯烷酮K30，形成胶体；再将胶体旋涂在铝酸镧LaAlO3单晶基底上，置于红外干燥箱中干燥；将干燥后的基底片置于管式炉中，依次在200°C下保温8min，缓慢加热至520°C保温18min，然后850°C下保温lh，退火处理，即得La。.7Sra 3Μη03薄膜；
[0032]b、沉积Bi2Se3薄膜:将a步中制得的Laa7Sra3MnO3薄膜放入磁控派射仪，在磁控派射仪的派射IE上安装Bi2Se3IE!材，通过磁控派射方法在La α 7Sr。.3Μη03薄膜上沉积Bi #63薄膜，得至Ij Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03异质结构薄膜；
[0033]C、后退火处理:将b步所得的Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03异质结构薄膜和0.03g的砸粒一起封入气压小于1X10 2Pa的真空石英管中，置于管式炉中进行后退火处理。
[0034]本例中所述a步中退火处理是指直接随炉冷却。
[0035]本例中所述b步中通过磁控派射方法在Laa7Sra3MnO3薄膜上沉积Bi 2Se3薄膜的沉积条件为:距离6cm，射频功率5W/cm2，溅射时间为60s，工作气体为纯度为99.995%的氩气，工作气压0.4Pa，基底温度300 °C。
[0036]本例中所述c步中后退火处理的具体操作是:以3°C /min升至280°C，保温3h，然后炉冷，即得。
[0037]图1是本实施例的Bi2Se3薄膜的X射线衍射图谱。从图中可以看出所有特征峰均为(OOL)衍射峰，并且无其他杂峰，表明在Si (100)单晶基底上生长的Bi2Se3具有很强的C轴取向。
[0038]图2是本实施例的Bi2Se3薄膜的50000倍扫描电子显微镜(SEM)照片。由该图可知:薄膜样品表面平整、致密、无洞。由此可知此实施例制备出了织构良好，具有典型层状结构，表面致密平整的Bi2Se3薄膜。
[0039]实施例二
[0040]—种拓扑绝缘体/铁磁体异质结构薄膜的制备方法，其步骤是:
[0041]a、制备Laa7Sra3MnO3薄膜:将硝酸镧，硝酸锶和硝酸锰按镧、锶、锰离子数量比为7:3:10的配比，溶解在N，N-二甲基甲酰胺中，形成Laa7Sra3MnO3溶液；在Laa7SrQ.3Mn03溶液中加入质量为所述1^。.决。.鄭03溶液质量的5%的聚乙烯吡咯烷酮K30，形成胶体；再将胶体旋涂在铝酸镧LaAlO3单晶基底上，置于红外干燥箱中干燥；将干燥后的基底片置于管式炉中，依次在200°C下保温8min，缓慢加热至520°C保温18min，830°C下保温lh，退火处理，即得La。.7Sra3Μη03薄膜；
[0042]b、沉积Bi2Se3薄膜:将a步中制得的Laa7Sra3MnO3薄膜放入磁控派射仪，在磁控派射仪的派射IE上安装Bi2Se3IE!材，通过磁控派射方法在La α 7Sr。.3Μη03薄膜上沉积Bi #63薄膜，得至Ij Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03异质结构薄膜；
[0043]C、后退火处理:将b步所得的13;[2363/]^1。.731'。.3]/[1103异质结构薄膜和0.02g的砸粒一起封入气压小于1X10 2Pa的真空石英管中，置于管式炉