N掺杂CrO2外延薄膜及其制备方法与流程

本发明属于材料领域。具体涉及一种n掺杂cro2外延薄膜及其制备方法。

背景技术：

近年来，自旋电子学是国际凝聚态物理和材料科学关注的焦点之一，引起了人们的广泛的注意。作为最简单的铁磁性半金属氧化物cro2是传统的磁记录材料，cro2经实验证实具有接近100%的自旋极化率,而且cro2的居里温度高达396k。因此，cro2被认为是极具开发潜力的、理想的自旋电子器件的电极材料之一。

cro2虽然是一种磁性能良好且应用广泛的磁性材料，但常温下处于亚稳态，热稳定性差。目前最常用的是在o2的氛围下制备cro2，但是其制备温度只能是在390^oc附近，高于400^oc纯的cro2材料就会开始分解，薄膜中开始出现cr2o3的杂相，低于380^oc时，气氛里面的cro2无法在tio2基片上成膜或者成膜速率极其低下。最近新提出来的在ar为输运气体下制备cro2外延薄膜，但是他并没有扩大其制备温度区间和薄膜的热稳定性，即使相对容易制备的cro2粉末，比如专利号为“cn101684002a”名称为“一种制备纳米二氧化铬的方法”，他的制备温度也仅仅在350~380^oc。目前公开的方法都只是如何制备高纯度cro2材料，尚未有向cro2材料掺入n元素来改善其热稳定性的具体制备方法。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种操作简单和能较快地进行产业化生产的n掺杂cro2外延薄膜的制备方法，用该方法制备的n掺杂cro2外延薄膜在cro2性能无较大变化的情况下使其热稳定性和制备温度区间得到较大提高，从而使其应用范围更加广泛。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

n掺杂cro2外延薄膜n掺杂cro2外延薄膜一种n掺杂cro2外延薄膜的制备方法，包含以下步骤：

步骤一，先将75~99.99份质量的cro3装入石英舟内，将石英舟放入双温区管式炉的低温区，再将tio2单晶基片放入双温区管式炉的高温区；

步骤二，在以150~250ml/min的流速向管式炉内持续通入n2的条件下，将高温区加热至270℃~430℃，开始保温；

步骤三，在高温区开始保温时，对低温区开始加热，将低温区加热至240℃~280℃，再对高温区和低温区保温1.5~3h，即在tio2单晶基片上制得不同掺杂浓度的n掺杂cro2外延薄膜。

上述制备方法中，所述的cro3为分析纯物质。

上述制备方法中，所述的n2为高纯态物质。

一种n掺杂cro2外延薄膜，所述n掺杂cro2外延薄膜是根据权利要求1~3中任一项所述n掺杂cro2外延薄膜的制备方法所制备的n掺杂cro2外延薄膜。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下积极效果：

第一、本发明所采用的双温区管式炉在国内较为成熟，其操作简单，常压下便能生产，用其生产n掺杂cro2外延薄膜可以较快的进行产业化生产。

第二、纯的cro2材料在400℃以上便开始分解为cr2o3，380^oc以下在基片上无法成膜，而本发明的n掺杂cro2外延薄膜在500℃仍能保持稳定，而且制备温度区间为270^oc~430^oc，热稳定性得到了较大提高，从而使其应用范围更加广泛。

第三、与纯的cro2材料相比，本发明的n掺杂cro2外延薄膜磁性能并无较大改变，而且表面更加光滑平整，薄膜厚度可控性增强。

因此，本发明具有操作简单和能较快地进行产业化生产的特点，用该方法制备的n掺杂cro2外延薄膜在磁性能无较大变化的情况下热稳定性和制备温度区间有了较大的提高。

附图说明

图1为n掺杂cro2外延薄膜与标准样的xrd图谱的对比，a是标准样（纯cro2），b是实施例2的n掺杂cro2外延薄膜；

图2为不同温度下制备的n掺杂cro2外延薄膜的xrd图谱a、b、c、d分别对应实施例1、2、3、4制备的n掺杂cro2外延薄膜；e-f是标准样（纯cro2）；

图3为n掺杂cro2外延薄膜与标准样的afm图谱的对比，a是标准样（纯cro2），b是实施例6的n掺杂cro2外延薄膜；

图4为vsm测量的磁滞回线，a是易磁轴，b是难磁轴，a对应着标准样（纯cro2），b、c、d分别对应实施例5、6、7制备的n掺杂cro2外延薄膜。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围是限制。

本具体实施方式所述的cro3为分析纯物质、所述的n2为高纯态物质，所述的掺杂浓度指的是n原子的数量除以o原子数量。

实施例1

一种n掺杂cro2外延薄膜的制备方法，本实施例所述制备方法包含以下步骤：

步骤一，先将75份质量的cro3装入石英舟内，将石英舟放入双温区管式炉的低温区，再将tio2单晶基片放入双温区管式炉的高温区；

步骤二，在以160ml/min的流速向管式炉内持续通入n2的条件下，将高温区加热至310℃，开始保温；

步骤三，在高温区开始保温时，对低温区开始加热，将低温区加热至260℃，再对高温区和低温区保温3.5h，即在tio2单晶基片上制得n掺杂cro2外延薄膜。

实施例2

一种n掺杂cro2外延薄膜的制备方法，本实施例所述制备方法包含以下步骤：

步骤一，先将75份质量的cro3装入石英舟内，将石英舟放入双温区管式炉的低温区，再将tio2单晶基片放入双温区管式炉的高温区；

步骤二，在以150ml/min的流速向管式炉内持续通入n2的条件下，将高温区加热至390℃，开始保温；

步骤三，在高温区开始保温时，对低温区开始加热，将低温区加热至260℃，再对高温区和低温区保温1.5h，即在tio2单晶基片上制得n掺杂cro2外延薄膜。

实施例3

一种n掺杂cro2外延薄膜的制备方法，本实施例所述制备方法包含以下步骤：

步骤一，先将75份质量的cro3装入石英舟内，将石英舟放入双温区管式炉的低温区，再将tio2单晶基片放入双温区管式炉的高温区；

步骤二，在以150ml/min的流速向管式炉内持续通入n2的条件下，将高温区加热至430℃，开始保温；

步骤三，在高温区开始保温时，对低温区开始加热，将低温区加热至260℃，再对高温区和低温区保温1.5h，即在tio2单晶基片上制得n掺杂cro2外延薄膜。

实施例4：

一种n掺杂cro2外延薄膜的制备方法，本实施例所述制备方法包含以下步骤：

步骤一，先将75份质量的cro3装入石英舟内，将石英舟放入双温区管式炉的低温区，再将tio2单晶基片放入双温区管式炉的高温区；

步骤二，在以150ml/min的流速向管式炉内持续通入n2的条件下，将高温区加热至270℃，开始保温；

步骤三，在高温区开始保温时，对低温区开始加热，将低温区加热至260℃，再对高温区和低温区保温4.5h，即在tio2单晶基片上制得n掺杂cro2外延薄膜。

实施例5

一种n掺杂cro2外延薄膜的制备方法，本实施例所述制备方法包含以下步骤：

步骤一，先将75份质量的cro3装入石英舟内，将石英舟放入双温区管式炉的低温区，再将tio2单晶基片放入双温区管式炉的高温区；

步骤二，在以150ml/min的流速向管式炉内持续通入n2的条件下，将高温区加热至340℃，开始保温；

步骤三，在高温区开始保温时，对低温区开始加热，将低温区加热至260℃，再对高温区和低温区保温3h，即在tio2单晶基片上制得n掺杂cro2外延薄膜。

本实施例测得掺杂浓度为0.91%。

实施例6

一种n掺杂cro2外延薄膜的制备方法，本实施例所述制备方法包含以下步骤：

步骤一，先将75份质量的cro3装入石英舟内，将石英舟放入双温区管式炉的低温区，再将tio2单晶基片放入双温区管式炉的高温区；

步骤二，在以150ml/min的流速向管式炉内持续通入n2的条件下，将高温区加热至370℃，开始保温；

步骤三，在高温区开始保温时，对低温区开始加热，将低温区加热至260℃，再对高温区和低温区保温2.5h，即在tio2单晶基片上制得n掺杂cro2外延薄膜。

本实施例测得掺杂浓度为2.94%。

实施例7

一种n掺杂cro2外延薄膜的制备方法，本实施例所述制备方法包含以下步骤：

步骤一，先将75份质量的cro3装入石英舟内，将石英舟放入双温区管式炉的低温区，再将tio2单晶基片放入双温区管式炉的高温区；

步骤二，在以150ml/min的流速向管式炉内持续通入n2的条件下，将高温区加热至410℃，开始保温；

步骤三，在高温区开始保温时，对低温区开始加热，将低温区加热至260℃，再对高温区和低温区保温2h，即在tio2单晶基片上制得n掺杂cro2外延薄膜。

本实施例测得掺杂浓度为3.91%。

下面通过不同的表征方法对上述实施例作进一步说明。

图1为n掺杂cro2外延薄膜与标准样的xrd图谱的对比，a是标准样（纯cro2），b是实施例2的n掺杂cro2外延薄膜。峰为相对应说明实施例2所制备的n掺杂cro2外延薄膜没有杂相，是所需要的外延单晶cro2薄膜材料。

图2为不同温度下制备的n掺杂cro2外延薄膜的xrd图谱，a、b、c、d分别对应实施例1、2、3、4制备的n掺杂cro2外延薄膜；e、f是标准样（纯cro2），由于标准样的制备温度区间为380-400℃。标准样的制备温度低于380℃沉积不了薄膜、高于400℃会出现杂相。

图3为n掺杂cro2外延薄膜与标准样的afm图谱的对比，a是标准样（纯cro2），b是实施例6的n掺杂cro2外延薄膜。掺杂后表面粗糙度大幅度降低，使得薄膜质量提高。需要说明的是，本具体实施方式除实施例6之外的其他实施例所制备的n掺杂cro2外延薄膜与标准样的afm图谱的对比显示，掺杂后表面粗糙度大幅度降低。

图4为vsm测量的磁滞回线，a是易磁轴，b是难磁轴，a对应着标准样（纯cro2），b、c、d分别对应实施例5、6、7制备的n掺杂cro2外延薄膜。通过a可以看到掺杂后矫顽力降低，质量提高；通过b可以看到饱和磁场增大，磁各向异性那能提高，掺杂具有更好的磁性能。