耐高温多铁性氮化铝薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料领域，涉及一种耐高温多铁性氮化铝薄膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]当前，信息电子领域快速发展使得人们致力材料多功能化发展，以快速存储、处理海量信息，多铁材料是其中大家关注的之一。然而目前所发现的单相多铁材料居里温度低，耐高温能力差，迫切需要寻找居里温度高、工作温度高的新材料。目前文献已报导具有铁磁性，或者高压电性的氮化铝材料，但未有文献报导氮化铝同时具有铁电、铁磁特性，且铁电和铁磁居里温度达到450摄氏度，通过电场可以调制磁性，也可通过磁场调控铁电性。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种耐高温多铁性氮化铝薄膜及其制备方法。
[0004]本发明提供的掺杂氮化铝材料，其分子式为Α1χ (ΑΛ y) i XNZ ；
[0005]其中，x代表A1的摩尔分数，为0.85-0.95 ；
[0006]y 为 0.45-0.8 ；
[0007]所述A和B为如下组合a至c中的任意一种:
[0008]组合a为:A代表Cr元素；B代表Ta元素；
[0009]组合b为:A代表Mg兀素；B代表Ca兀素；
[0010]组合c为:A代表Sc元素；B代表Y元素；
[0011]ζ代表氮的摩尔分数，为1。
[0012]具体的，所述X为0.87或0.95 ;
[0013]y 为 0.5-0.8;
[0014]所述材料的居里温度高于450°C，具体为456-462°C，更具体为456°C、453°C或462。。；
[0015]所述材料为薄膜材料，厚度为150nm ;
[0016]所述材料具体为Al0.87Cr0.08Ta0.05N、Al0.95 (Mg0.5Ca0.5) 0.05N 或 Al0.95 (Mg0.5Ca0.5) 0.05No
[0017]上述材料亦为按照如下方法制备而得的产品。
[0018]本发明提供的制备所述掺杂氮化铝材料的方法，为如下方法一或方法二 ；
[0019]其中，方法一包括如下步骤:
[0020]在A1靶上按照前述配比放置金属Cr和Ta，采用磁控溅射的方法在衬底上沉积薄膜，同时进行Ar离子束轰击，沉积完毕后再恢复至常压退火，在退火的同时在沉积所得材料的表面和衬底背面之间施加电压，退火完毕得到本发明提供的含有Al、Cr、Ta和N元素的掺杂氮化铝材料。
[0021]方法二包括如下步骤:
[0022]将金属Al、Mg、Ca或Al、Sc、Y按照前述配比制得靶材后，采用磁控溅射的方法在衬底上沉积薄膜，同时进行Ar离子束轰击，再恢复至常压退火，在退火的同时在沉积所得材料的表面和衬底背面之间施加电压，退火完毕得到本发明提供的含有Al、Mg、Ca和N元素或含有Al、Sc、Y和N元素的掺杂氮化铝材料。
[0023]构成所述衬底的材料为Pt/Si02/Si ；
[0024]所述方法一的沉积步骤中，溅射的功率为200W ；
[0025]沉积的方向为衬底的(002)面；
[0026]沉积的温度为450-600°C，具体为550°C ；
[0027]沉积气氛为由氮气和氩气组成的混合气氛；其中，氮气和氩气的分压比为1:3 ；
[0028]真空度为0.3-100Pa ；
[0029]所述氩离子束轰击步骤中，氩离子束的能量为0.1-5000电子伏特，具体为1000电子伏特；
[0030]离子束的轰击剂量为1 X 108/cm2至5X 1012/cm2 ；
[0031]氩离子束轰击的方向为与衬底的(002)面成45°的方向；
[0032]所述退火步骤中，温度为600-700°C，时间为1_10小时，具体为1.2小时；
[0033]所述电压为100V或-100V。
[0034]所述方法二的沉积步骤中，溅射的功率为200W ；
[0035]沉积的方向为衬底的(002)面；
[0036]沉积的温度为450-600°C，具体为550°C ；
[0037]沉积气氛为由氮气和氩气组成的混合气氛；其中，氮气和氩气的分压比为1:3 ；
[0038]真空度为0.3-100Pa ；
[0039]所述氩离子束轰击步骤中，氩离子束的能量为0.1-5000电子伏特，具体为1000电子伏特；
[0040]离子束的轰击剂量为IX 108/cm2至5X 1012/cm2 ；
[0041]氩离子束轰击的方向为与衬底的(002)面成45°的方向；
[0042]所述退火步骤中，温度为600-700°C，时间为1_10小时，具体为1.2小时；
[0043]所述电压为100V或-100V。
[0044]另外，上述本发明提供的掺杂氮化铝材料在制备多铁材料中的应用及含有该掺杂氮化铝材料的材料，也属于本发明的保护范围。
[0045]本发明制备的氮化铝同时具有铁电、铁磁特性，且铁电和铁磁居里温度达到450摄氏度，通过电场可以调制磁性，也可通过磁场调控铁电性。
【具体实施方式】
[0046]下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
[0047]下述实施例所得掺杂氮化铝材料在测试铁磁性时，在薄膜两面通过电极施加±0.5至±100V的电压，可调制最大磁化强度在±150%范围变动；
[0048]测试铁电性时，在薄膜面内施加±2特斯拉的磁场，可调节电极化强度在±120%范围变动。
[0049]实施例1、
[0050]在高纯A1靶上放置条形Cr和Ta (摩尔比为1:1)，在氮气和氩气气氛为0.3Pa (分压比为1:3)下采用射频磁控溅射在衬底Pt/Si02/Si上沉积薄膜，溅射功率为200W，沉积温度550°C，沉积的方向为衬底Pt/Si02/Si的(002)面，同时进行Ar离子束轰击，轰击的方向为与衬底Pt/Si02/Si的(002)面方向成45°，轰击能量为1000电子伏特，离子束轰击剂量为1 X 108/cm2,再恢复至常压进行于700°C退火1.2小时，并在沉积所得材料的表面和衬底背面之间施加100V或-100V电压，退火完毕得到本发明提供的掺杂氮化铝材料。
[0051]该掺杂氮化铝材料的分子式为AlQ.S7CrQ.QSTaaQ5N，薄膜的厚度为150nm ；
[0052]采用SQUID和VSM测试得知，该材料的居里温度为456°C。
[0053]实施例2、
[0054]将纯度达到5个9的Al，Mg，Ca粉按A1Q.91 (Mg0.5Ca0.5)0.09的比例进行混合，烧结成靶材后，在氮气和氩气气氛为0.3Pa(分压比为1:3)下采用磁控溅射在衬底Pt/Si02/Si上沉积薄膜，溅射功率为200W，沉积温度550°C，沉积的方向为衬底Pt/Si02/Si的(002)面，同时进行Ar离子束轰击，轰击的方向为与衬底Pt/Si02/Si的(002)面方向成45°，轰击能量为1000电子伏特，离子束轰击剂量为lX10s/cm2，再恢复至常压于700°C退火1.2小时，并在沉积所得材料的表面和衬底背面之间施加100V或-100V电压，退火完毕得到本发明提供的掺杂氮化铝材料。
[0055]该掺杂氮化招材料的分子式为AlQ.95(MgQ.5CaQ.5)aQ5N,薄膜的厚度为150nm ；
[0056]采用SQUID和VSM测试得知，该材料的居里温度为453°C。
[0057]实施例3、
[0058]将纯度达到5个9的Al，Sc，Y粉按A1Q.S5(ScQ.5YQ.5)a 15的比例进行混合，烧结成靶材后，在氮气和氩气气氛为0.3Pa(分压比为1:3)下采用磁控溅射在衬底Pt/Si02/Si上沉积薄膜，溅射功率为200W，沉积温度550°C，沉积的方向为衬底Pt/Si02/Si的(002)面为外延面，同时进行Ar离子束轰击，轰击的方向为与衬底Pt/Si02/Si的(002)面方向成45°的方向，轰击能量为1000电子伏特，离子束轰击剂量为lX10s/cm2，再恢复至常压于700°C退火1.2小时，并在沉积所得材料的表面和衬底背面之间施加100V或-100V电压，退火完毕得到本发明提供的掺杂氮化铝材料。
[0059]该掺杂氮化招材料的分子式为AlQ.95(MgQ.5CaQ.5)aQ5N,薄膜的厚度为150nm ；
[0060]采用SQUID和VSM测试得知，该材料的居里温度为462°C。
【主权项】
1.一种掺杂氮化铝材料，其分子式为Α1χ (ΑΛ y)! XNZ ； 其中，x代表A1的摩尔分数，为0.85-0.95 ； y 为 0.45-0.8 ； 所述A和B为如下组合a至c中的任意一种: 组合a为:A代表Cr元素；B代表Ta元素； 组合b为:A代表Mg兀素；B代表Ca兀素； 组合c为:A代表Sc元素；B代表Y元素； ζ代表氮的摩尔分数，为1。2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于:所述X为0.87或0.95 ; y 为 0.5-0.8 ； 所述材料的居里温度高于450°C，具体为456-462°C，更具体为456°C、453°C或462°C ； 所述材料为薄膜材料，厚度为150nm; 所述材料具体为 Al0.87Cr0.08Ta0.05N、Al0.95 (Mg0.5Ca0.5) 0.05N 或 Al0.95 (Mg。.5Caa 5)。.05N。3.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于:所述材料为按照权利要求4-7任一所述方法制备而得。4.一种制备权利要求1或2任一所述掺杂氮化招材料的方法,为如下方法一或方法--， 其中，方法一包括如下步骤: 在A1靶上按照权利要求1所述配比放置金属Cr和Ta，采用磁控溅射的方法在衬底上沉积薄膜，同时进行Ar离子束轰击，沉积完毕后再恢复至常压退火，在退火的同时在沉积所得材料的表面和衬底背面之间施加电压，退火完毕得到含有Al、Cr、Ta和N元素的掺杂氮化铝材料。 方法二包括如下步骤: 将金属Al、Mg、Ca或Al、Sc、Y按照权利要求1所述配比制得靶材后，采用磁控溅射的方法在衬底上沉积薄膜，同时进行Ar离子束轰击，再恢复至常压退火，在退火的同时在沉积所得材料的表面和衬底背面之间施加电压，退火完毕得到含有Al、Mg、Ca和N元素或含有Al、Sc、Y和N元素的掺杂氮化铝材料。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于:构成所述衬底的材料为Pt/Si02/Si。6.根据权利要求4-5任一所述的方法，其特征在于:所述方法一的沉积步骤中，磁控溅射的功率为200W ； 沉积的方向为衬底的(002)面； 沉积的温度为450-600°C，具体为550°C ； 沉积气氛为由氮气和氩气组成的混合气氛；其中，氮气和氩气的分压比为1:3 ； 真空度为0.3-100Pa ； 所述氩离子束轰击步骤中，氩离子束的能量为0.1-5000电子伏特，具体为1000电子伏特； 离子束的轰击剂量为IX 10s/cm2至5X 1012/cm2 ； 氩离子束轰击的方向为与衬底的(002)面成45°的方向； 所述退火步骤中，温度为600-700°C，时间为1-10小时，具体为1.2小时； 所述电压为100V或-100V。7.根据权利要求4-6任一所述的方法，其特征在于:所述方法二的沉积步骤中，磁控溅射的功率为200W ； 沉积的方向为衬底的(002)面； 沉积的温度为450-600°C，具体为550°C ； 沉积气氛为由氮气和氩气组成的混合气氛；其中，氮气和氩气的分压比为1:3 ； 真空度为0.3-100Pa ； 所述氩离子束轰击步骤中，氩离子束的能量为0.1-5000电子伏特，具体为1000电子伏特； 离子束的轰击剂量为IX 10s/cm2至5X 1012/cm2 ； 氩离子束轰击的方向为与衬底的(002)面成45°的方向； 所述退火步骤中，温度为600-700°C，时间为1-10小时，具体为1.2小时； 所述电压为100V或-100V。8.权利要求1-3任一所述掺杂氮化铝材料在制备多铁材料中的应用。9.含有权利要求1-3任一所述掺杂氮化铝材料的材料。
【专利摘要】本发明公开了一种耐高温多铁性氮化铝薄膜及其制备方法。该材料的分子式为Alx(AyB1-y)1-xNz；其中，x代表Al的摩尔分数，取值为0.85～0.95；y为0.45～0.8。本发明制备的氮化铝同时具有铁电、铁磁特性，且铁电和铁磁居里温度达到450摄氏度，通过电场可以调制磁性，也可通过磁场调控铁电性。
【IPC分类】C23C14/35, C23C14/06, C23C14/58, C01F7/00
【公开号】CN105483629
【申请号】CN201410479805
【发明人】曾飞, 刘宏燕, 王光月, 潘峰
【申请人】清华大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月18日