专利名称：一种具有室温铁磁性的铌酸锂薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有室温铁磁性的铌酸锂薄膜及其制备方法，属于磁性新材料技术领域。
背景技术：
铌酸锂是工业应用领域使用最广泛的人工晶体材料之一。铌酸锂在目前已知的所有铁电体材料中拥有最高的居里温度和室温自发极化效应。作为双折射晶体，铌酸锂具有良好的声波特性以及相对较大的声光品质因数。另外，铌酸锂晶体还表现出非常强的光伏特性。这种特性促使其内部产生有效的电荷迁移，结合晶体的线性光电特性，可以产生显著的光折变效应。这些大数量级的物理效应使得铌酸锂在诸如声表面器件、光振幅调制器、光相位调制器、二次谐波发生器等相关领域得到了广泛的应用。铌酸锂晶体的掺杂工程，一直是人工晶体领域的一个热点。对铌酸锂晶体进行掺杂，可以很大程度上调节晶体包括光学、电磁学等各种重要的物理性能。目前对铌酸锂的掺杂主要基于光折变方面的应用，但是用于光折变的过渡金属元素的掺杂量都非常小，以至于人们忽略了通过铌酸锂掺杂可能产生的磁学和电学性能。研究过渡金属掺杂铌酸锂结构与磁性，有可能得到更多用于自旋电子学和多铁性研究的自旋源。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有室温铁磁性的铌酸锂薄膜及其制备方法。本发明提供的一种具有室温铁磁性的铌酸锂薄膜中掺杂Co、Mn、V、Cr和狗中至少一种元素。上述的铌酸锂薄膜中，所述铌酸锂薄膜中，Co、Mn、V、Cr和！^中任一种元素的原子百分数可为_5%，如1%、2%或5%。上述的铌酸锂薄膜中，所述铌酸锂薄膜的厚度可为0-200nm，但不为0。本发明还提供了上述铌酸锂薄膜的制备方法，包括如下步骤采用离子注入法向铌酸锂基底中注入Co、Mn、V、Cr和!^e中至少一种元素；所述注入采用至少三种不同的注入
能量°上述的制备方法中，所述注入能量可为选自20keV-300keV中的能量。上述的制备方法中，所述注入能量可为选自20keV-300keV中的任三种能量；具体可为下述三种能量中任一种(l)300keV、120keV 和 27. 5keV、O) 300keV、IlOkeV 和 25keV 和( 300keVU IOkeV和30keV，可实现从所述铌酸锂薄膜表面到大约200nm深度的均勻掺
ο由于离子注入的过程中的掺杂离子在基体中分布的浓度内外差别比较大，不利于获得掺杂均勻的材料。所以，本发明采取了多种能量注入的方法，通过多个不同剂量的叠加，较大程度上消除了单次离子注入时浓度分布不均的影响，得到了掺杂均勻的具有室温铁磁性的铌酸锂薄膜。
图1为实施例1制备的薄膜127. 86切向的铌酸锂基片的XRD图谱。图2为实施例2制备薄膜的铌酸锂截面区域低倍扫描像。
具体实施例方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。下述实施例中所用的离子注入机的型号为LC-4。实施例1、V掺杂的铌酸锂薄膜的制备向铌酸锂基底中注入V元素，形成厚度约为200nm的掺杂铌酸锂薄膜控制离子注入机的注入能量分别为300keV、120keV和27. 5keV，三种注入能量依次对应的剂量分别为 5. 50 X IO15原子/cm-2,2. 52 X IO15原子/cm—2和7. 86 X IO14原子/cm—2，则得到铌酸锂薄膜的掺杂V的原子百分数为2%。V取代铌酸锂中的Nb位，与周围的氧原子形成了的扭曲的VO6八面体结构，以及氧空位的存在，对局域磁矩的产生和相互耦合起着重要的作用，测得制备V掺杂的铌酸锂薄膜的单位原子磁矩为3. 82 μ B/V。图1为上述制备的V掺杂的铌酸锂薄膜的127. 86切向的铌酸锂基片的XRD图谱， 从图中可以看出，该基片的取向良好，是很好的基底选择。本实施例通过SRIM(Stopping and Range of Ions in Matter)软件模拟掺杂离子V在铌酸锂基底中200nm深度范围内的分布，并通过计算选择出三个叠加后均勻性最好的注入能量和注入剂量，实现从铌酸锂表面到大约200nm深度的均勻掺杂。实施例2、Co掺杂的铌酸锂薄膜的制备向铌酸锂基底中注入Co元素，形成厚度约为200nm的掺杂铌酸锂薄膜控制离子注入机的注入能量分别为300keV、IlOkeV和30keV，三种注入能量依次对应的剂量分别为
1.3X IO16原子/Cm_2、5· 4X IO15原子/cm—2和1.9X1015原子/cm—2，则得到铌酸锂薄膜的掺杂Co的原子百分数为5%。Co取代铌酸锂中的Nb位，在晶胞当中形成了束缚磁极子，从而产生局域磁矩并在整个晶胞中长程传递，实验测得制备Co掺杂的铌酸锂薄膜的单位原子磁矩为1. 3 μ B/Co。上述制备的薄膜的截面区域低倍扫描像如图2所示，从图中可以看出，注入后的铌酸锂样品表面仍然平整，注入层图像的衬度非常均勻。实施例3、Fe掺杂的铌酸锂薄膜的制备向铌酸锂基底中注入!^e元素，形成厚度约为200nm的掺杂铌酸锂薄膜控制离子注入机的注入能量分别为300keV、IlOkeV和25keV，三种注入能量依次对应的剂量分别为
2.75 X IO15原子/Cm_2、l· 12 X IO15原子/cm—2和3. 50 X IO15原子/cm—2，则得到铌酸锂薄膜的掺杂狗的原子百分数为1%。Fe取代铌酸锂中的Li位，采用第一性原理LDA+U方法计算的电子结构证明了掺杂的狗原子与近邻的Nb原子产生了强烈的d-d耦合，并且在整个晶胞中的长程传递中起作用，实验测得制备狗掺杂的铌酸锂薄膜的单位原子磁矩为3. 33 μ B/i^e。
权利要求
1.一种具有室温铁磁性的铌酸锂薄膜，其特征在于所述铌酸锂薄膜中掺杂Co、Mn、V、 Cr和!^e中至少一种元素。
2.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜，其特征在于所述铌酸锂薄膜中，Co、Mn、V、Cr 和!^e中任一种元素的原子百分数为_5%。
3.根据权利要求1或2所述的铌酸锂薄膜，其特征在于所述铌酸锂薄膜的厚度为 0-200nm，但不为 0。
4.权利要求1-3中任一所述铌酸锂薄膜的制备方法，包括如下步骤采用离子注入法向铌酸锂基底中注入Co、Mn、V、Cr和!^e中至少一种元素；所述注入采用至少三种不同的注入能量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述注入能量为选自20keV-300keV中的能量°
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于所述注入能量为选自20keV-300keV 中的任三种能量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述注入能量依次为300keV、120keV和 27. 5keV0
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述注入能量依次为300keV、IlOkeV和 25keV0
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述注入能量依次为300keV、IlOkeV和 30keVo
全文摘要
本发明公开了一种具有室温铁磁性的铌酸锂薄膜及其制备方法。所述铌酸锂薄膜中掺杂Co、Mn、V、Cr和Fe中至少一种元素。本发明提供的铌酸锂薄膜的制备方法，包括如下步骤采用离子注入法向铌酸锂基底中注入Co、Mn、V、Cr和Fe中至少一种元素；所述注入采用至少三种不同的注入能量。由于离子注入的过程中的掺杂离子在基体中分布的浓度内外差别比较大，不利于获得掺杂均匀的材料。
文档编号C23C14/48GK102360709SQ201110170928
公开日2012年2月22日 申请日期2011年6月23日 优先权日2011年6月23日
发明者唐光盛, 曾飞, 潘峰, 盛蓬 申请人:清华大学