单晶薄膜材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料合成领域，涉及一种钙钛矿型SrIrO3单晶薄膜材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]过渡金属氧化物(TMOs)尤其是含3d轨道电子的过渡金属氧化物材料一直受到科研人员的广泛关注，因为在这类材料中已经发现很多重要的物理现象，例如:高温超导，铁电性，庞磁阻，莫特绝缘态，拓扑绝缘态，二维电子气等等。对于4d，5d电子体系，因为d电子轨道的增大，这类材料具有比较小的电子关联效应，之前的理论预言这类材料应该具有更好的金属导电性。但是最近的研宄发现它们呈现出反常的物理行为，尤其是含5d电子的铱氧化物准二维材料Sr2IrO4是一种绝缘体，这引起了大家的兴趣。经过研宄发现这一现象是由于同数量级大小的自旋轨道耦合与电子关联效应共同作用的结果(较大的原子半径导致了较大的自旋轨道耦合作用(SOC))。同时，由于存在较大的自旋轨道耦合作用，理论预言这类体系可能会实现很多奇异的量子现象，包括:拓扑莫特绝缘体，量子自旋霍尔效应，反常量子霍尔效应，轴子绝缘体，韦尔半金属甚至高温超导。
[0003]当前压电、超导、磁电阻、催化、离子导体等多种功能材料中，具有钙钛矿结构的材料占重要比例，因此钙钛矿结构材料也是当前材料科学研宄领域的热点之一。
[0004]钙钛矿结构通式可用八803来表达，晶体结构为立方晶系，是一种复合金属氧化物，其中，A位离子一般为碱土或稀土离子，满足rA>0.090nm, B位离子一般为过渡金属离子，满足rB>0.051nm。典型的钙钛矿结构材料为CaTi03。
[0005]钙钛矿结构具有如下特点:1)氧八面体共顶点连接，组成三维网络，根据Pauling的配位多面体连接规则，此种结构比共棱、共面连接稳定；2)共顶连接使氧八面体网络之间的空隙比共棱、共面连接时要大，允许较大尺寸离子填入，即使产生大量晶体缺陷，或者各组成离子的尺寸与几何学要求有较大出入时，仍然能够保持结构稳定，并有利于氧及缺陷的扩散迀移。
[0006]作为与Sr2IrO4同体系类似的三维化合物材料，钙钛矿结构的SrIrO 3被认为是可以通过超晶格人工微结构调制实现拓扑态的关键的母体材料。虽然目前已经有一些输运方面实验的相关报道，证明SrIrO3是半金属行为的材料，但是关于SrIrO3的电子结构我们仍然知之甚少。要想测试SrIrO3的电子能带结构我们必须使样品具有足够清洁、平整的表面，这对于常压下是六角结构的SrIrO3体材料很难实现。
[0007]为了克服电子结构测试的困难，需要获得一种常压下稳定的钙钛矿结构的SrIrO3单晶薄膜材料，并且能够保证样品表面足够平整和洁净。
【发明内容】
[0008]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种钙钛矿型51'11'03单晶薄膜材料的制备方法，用于解决现有31"11<)3单晶体材料不能测试的问题。
[0009]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种钙钛矿型SrIrO3单晶薄膜材料的制备方法，包括如下步骤:
[0010]S1:提供一钙钛矿型衬底；
[0011]S2:对所述衬底进行清洗处理；
[0012]S3:对所述衬底进行退火处理；
[0013]S4:在氧化物分子束外延系统中采用Ir单质靶蒸发源、Sr单质靶蒸发源及氧源，在所述衬底表面外延生长钙钛矿型31'11'03单晶薄膜材料。
[0014]可选地，所述钙钛矿型衬底为LSAT、6(^(:03或SrT1 3。
[0015]可选地，于所述步骤S2中，采用丙酮去除所述衬底表面吸附的有机物杂质。
[0016]可选地，所述步骤S2包括如下过程:将所述衬底依次放入丙酮、酒精、异丙醇中进行超声清洗。
[0017]可选地，将所述衬底放入丙酮、酒精、异丙醇中进行超声清洗的时间均为I?60分钟。
[0018]可选地，在最后一步超声清洗后，采用氮气将所述衬底吹干。
[0019]可选地，于所述步骤S3中，所述退火处理包括如下过程:
[0020]将所述衬底传入真空腔，并加热到第一温度；
[0021]再往所述真空腔内通入氧气，并继续加热到第二温度；所述第二温度高于第一温度；
[0022]将所述衬底在所述第二温度下保温预设时间。
[0023]可选地，所述第一温度为100?400°C，所述第二温度为500?900°C，所述预设时间为5?100分钟。
[0024]可选地，于所述步骤S4中，外延生长妈钛矿型一^^^单晶薄膜材料时，Sr与Ir的单质束流比大于或等于I。
[0025]可选地，Sr与Ir的单质束流比为1.001?1.1。
[0026]可选地，于所述步骤S4中，外延生长钙钛矿型一^^^单晶薄膜材料时，衬底温度为 500 ?600 0C ο
[0027]可选地，于所述步骤S4中，所述氧源为臭氧。
[0028]可选地，外延生长过程中，所述臭氧的气压为1E-7?lE_5Torr。
[0029]如上所述，本发明的钙钛矿型SrIrO3单晶薄膜材料的制备方法，具有以下有益效果:本发明利用氧化物分子束外延技术，通过超高真空设备硬件、单质蒸发源的选择、稳定的蒸发源束流控制、衬底的选取、衬底的处理、薄膜合成参数的稳定控制，制备得到高质量的钙钛矿型31"11<)3单晶薄膜材料。该单晶薄膜相比体材料拥有很大的优势，外延生长的31*11<)3单晶薄膜具有稳定态的钙钛矿型结构，这对于进一步的科学研宄至关重要；其次，超高真空下生长的外延薄膜表面是天然的平整解理面，有利于实现电子结构的测试；再次，超高真空进一步保证了样品表面的洁净度，使测试得以更加顺利进行。
【附图说明】
[0030]图1显示为本发明的钙钛矿型SrIrO3单晶薄膜材料的制备方法的工艺流程图。
[0031]图2显示为LSAT衬底上生长的SrIrCV薄膜的RHEED图像。
[0032]图3显示为GdScO3衬底上生长的SrIrO 3薄膜的RHEED图像。
[0033]图4显示为SrT13衬底上生长的SrIrO 3薄膜的RHEED图像。
[0034]图5显示为未经通氧气及高温退火的SrT13衬底上生长的SrIrO 3薄膜的RHEED图像。
[0035]图6显示为经过通氧气并高温退火处理的SrT13衬底上生长的SrIrO 3薄膜的RHEED图像。
[0036]图7显示为外延生长温度过高时SrT13衬底上生长的SrIrO 3薄膜的RHEED图像。
[0037]图8显示为外延生长温度过低时SrT13衬底上生长的SrIrO 3薄膜的RHEED图像。
[0038]图9显示为外延生长温度较优时SrT13衬底上生长的SrIrO 3薄膜的RHEED图像。
[0039]元件标号说明
[0040]SI ?S4 步骤
【具体实施方式】
[0041]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0042]请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0043]本发明提供一种钙钛矿型SrIrO3单晶薄膜材料的制备方法，请参阅图1，显示为该方法的工艺流程图，包括如下步骤:
[0044]S1:提供一钙钛矿型衬底；
[0045]S2:对所述衬底进行清洗处理；
[0046]S3:对所述衬底进行退火处理；
[0047]S4:在氧化物分子束外延系统中采用Ir单质靶蒸发源、Sr单质靶蒸发源及氧源，在所述衬底表面外延生长钙钛矿型31'11'03单晶薄膜材料。
[0048]下面通过具体的示例详细说明本发明的钙钛矿型31'11'03单晶薄膜材料的制备方法流程:
[0049]首先执行步骤S1:提供一钙钛矿型衬底。
[0050]具体的，所述钙钛矿型衬底为包括但不限于LSAT、6(^(:03或SrTi03。其中，LSAT((La, Sr) (Al，Ta)O3，铝酸锶钽镧)单晶基片是一种较为成熟的无鸾晶钙钛矿晶体，在与高温超导体及多种氧化物材料有较完好的匹配。GdScO3(钪酸钆)通常为001晶向的单晶基板。SrT13(钛酸锶)具有典型的钙钛矿型结构，是有毒化学物品，是一种用途广泛的电子功能陶瓷材料，具有介电常数高、介电损耗低、热稳定性好等优点，广泛应用于电子、机械和陶瓷工业；同时，作为一种功能材料，钛酸锶具有禁带宽度高(3.4eV)、光催化活性优良等特点，并具有独特的电磁性质和氧化还原催化活性，在光催化分解水制氢、光催化降解有机污染物和光化学电池等光催化领域也得到了广泛的应用。
[0051]作为示例，所述钙钛矿型LSAT、6(^(:03或SrT1 3衬底均可直接采用商用的单晶基片，其表面已经具有较高的平整度。本实施例中，所述衬底优选采用SrT13衬底。
[0052]然后执行步骤S2:对所述衬底进行清洗处理。清洗处理的目的主要是去除衬底表面吸附的有机物杂质，为后续生长钙钛矿型31"11<)3单晶薄膜材料提供一个洁净的表面，降低缺陷生成的概率。
[0053]清洗处理采用有机溶剂，本实施例中，优选采用丙酮进行超声清洗。当然，在其它实施例中，也可以采用其它有机溶剂进行清洗，此处不应过分限制本发明的保护范围。
[0054]为了避免二次污染，在采用丙酮进行超声清洗之后，再将所述衬底依次放入酒精、异丙醇中进行超声清洗。将所述衬底放入丙酮、酒精、异丙醇中进行超声清洗的时间均为I?60分钟。
[0055]作为示例，清洗分为四步:第一步用丙酮超声20分钟，目的是洗掉衬底表面吸附的有机物；第二步用酒精超声20分钟，目的是为了洗掉衬底表面残留的丙酮；第三步用异丙醇超声5分钟，目的是为了洗掉衬底表面残留的酒精，并且异丙醇本身能够迅速挥发，不会在衬底表面残留；第四步用高纯氮气将衬底快速吹干。
[0056]接着执行步骤S3:对所述衬底进行退