专利名称：一种ZnO基稀磁薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明属于自旋电子学领域，涉及一种ZnO基稀磁薄膜及其制备方法。
背景技术：
稀磁氧化物是新一代自旋器件的重要支撑材料，具有多种优异的磁光、磁电性能， 使其在高密度非易失性存储器、磁感应器、光隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子位计算机领域有非常广阔的应用前景。制备具有室温铁磁性的稀磁氧化物，并将其应用于自旋器件是自旋电子学领域的研究热点之一。与传统的半导体器件相比，自旋电子器件具有速度快、体积小、能耗低、非易失等优点，具有较大的应用潜力。然而到目前为止， 稀磁材料还是没有能够达到真正的实用化，主要原因之一是稀磁材料的饱和磁化强度低并且居里温度低于室温。虽然近年来具有室温铁磁性的稀磁材料不断出现，但是它们的饱和磁化强度较弱，性能不够稳定，限制了实用化进程。迄今为止，还没有一种合适的办法能够有效增强稀磁薄膜材料的磁性。ZnO薄膜材料具有优异的结构和物理性能，在电子器件领域的应用前景极为广阔，近年来，ZnO基稀磁材料得到了广泛的研究，但是性能不够理想且重复性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种ZnO基稀磁薄膜及其制备方法。本发明提供的ZnO基稀磁薄膜，包括基片、位于所述基片上的稀磁薄膜和反铁磁薄膜；其中，构成所述稀磁薄膜的材料为SvxTMxO,所述SvxTMxO中，χ为0. 2% -10. 0%， TM为过渡金属元素；构成所述反铁磁薄膜的材料选自过渡金属氧化物中的至少一种。所述Zn1-JMxO中，χ优选3 % _5 %，更优选4-5%，TM选自Co、Ni和Fe中的至少一种；所述过渡金属氧化物选自附0、CoO和CuO中的至少一种。构成所述基片的材料选自 LiNb03、Si、Al203和LiTaO3中的至少一种，优选LiNb03。所述稀磁薄膜的厚度为10 400nm， 优选15-120nm ；所述反铁磁薄膜的厚度为10 400nm，优选10-60nm。上述本发明提供的ZnO基稀磁薄膜由下至上依次可为所述基片、所述稀磁薄膜和所述反铁磁薄膜；或者，所述ZnO基稀磁薄膜由下至上依次为所述基片、所述反铁磁薄膜和所述稀
磁薄膜。优选的，本发明提供的ZnO基稀磁薄膜由下至上依次为所述基片、所述稀磁薄膜和所述反铁磁薄膜；其中，构成所述基片的材料为LiNbO3,构成所述稀磁薄膜的材料为 Sia96Coatl4O,构成所述反铁磁薄膜的材料为NiO ；也即，该ZnO基稀磁薄膜的结构为LiNbO3/ Co:Zn0/Ni0;其中，所述Zna96Coatl4O稀磁薄膜的厚度为30nm，所述NiO反铁磁薄膜的厚度为 10-60nm ；所述ZnO稀磁薄膜LiNb03/Co SiO/NiO的室温饱和平均原子磁矩为3. 0 μ B/Co 3. 6 μ B/Co。或者，优选的，所述ZnO基稀磁薄膜由下至上依次为所述基片、所述反铁磁薄膜和所述稀磁薄膜；其中，构成所述基片的材料为LiNbO3，构成所述反铁磁薄膜的材料为MO ； 构成所述稀磁薄膜的材料为Zna95Niatl5O ；所述稀薄膜的厚度为80nm，所述反铁磁薄膜的厚度为10-60nm ；所述ZnO稀磁薄膜的室温饱和平均原子磁矩为2. 1 μ B/Co 2. 5 μ B/Co。本发明提供的制备上述ZnO基稀磁薄膜的方法，为下述方法一或方法二，其中， 所述方法一包括如下步骤在基片上依次制备一层稀磁薄膜和一层反铁磁薄膜，得到所述 ZnO基稀磁薄膜；所述方法二包括如下步骤在基片上依次制备一层反铁磁薄膜和一层稀磁薄膜， 得到所述ZnO基稀磁薄膜。上述两方法中，构成所述稀磁薄膜的材料均为SvxTMxO,所述SvxTMxO中，χ为 0.2% -10.0%，优选3% -5%，更优选4-5%，TM均为过渡金属元素，优选Co、Ni和！^中的至少一种；构成所述反铁磁薄膜的材料均选自过渡金属氧化物中的至少一种，优选附0、 CoO和CuO中的至少一种；构成所述基片的材料均选自LiNb03、Si、Al2O3和LiTaO3中的至少一种，优选 LiNbO3；所述稀磁薄膜的厚度均为10 400nm，优选15-120nm ；所述反铁磁薄膜的厚度均为 10 400nm，优选 10_60nm。所述制备一层稀磁薄膜的方法和制备一层反铁磁薄膜的方法均为各种常用的制备薄膜的方法，如可为物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法和电化学方法中的至少一种，优选直流反应溅射沉积法。其中，所用方法为，优选直流反应溅射法时，该方法可按照如下步骤进行选用氩气(Ar)为溅射气体，氧气(O2)为反应气体，Ar的压强为 0. 24-0. 3Pa,02的压强为0. 06-0. 8Pa，基片温度200°C，沉积速率为3_7. 2nm/min，溅射电流为0. 6A，溅射电压为350V，溅射过程中，基片温度保持在200°C。本发明提供了一种ZnO基稀磁薄膜及其制备方法。该ZnO基稀磁薄膜具有一种简单的双层膜结构，使其室温铁磁性具有良好的调控性，该ZnO基稀磁薄膜的结构为基片/ TM:ZnO/AF或基片/AF/TM: ZnO。本发明通过在ZnO基稀磁薄膜上沉积一薄层反铁磁薄膜或在反铁磁薄膜上沉积一层稀磁薄膜来提高ZnO基稀磁薄膜的室温铁磁性，利用室温铁磁性 TMiZnO薄膜和反铁磁薄膜的界面近邻效应，使双层膜结构的室温饱和平均原子磁矩(μ B/ Co)相对单层稀磁薄膜结构的平均原子磁矩明显增大。其中可通过稀磁层TM:ZnO和反铁磁层厚度的变化来调控TM:ZnO的平均原子磁矩。本发明提供的ZnO基稀磁薄膜将会大大加快稀磁材料在自旋电子学器件方面的实用化，具有重要的应用价值。
具体实施例方式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。所述材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。实施例1、制备LiNb03/Co ZnO/NiO结构的ZnO基稀磁薄膜在LiNbO3铁电基片上采用直流反应溅射的方式沉积一层Zna96Coatl4O薄膜(也即 Co掺杂ZnO薄膜)，该Zna96Coatl4O薄膜中，Co的掺杂浓度为4. Oat. %，厚度为30·，该直
5流反应溅射沉积步骤中，氩气(Ar)为溅射气体，氧气(O2)为反应气体，二者的压强分别为 0. 3 和0. 5Pa，溅射电流为0. 6A，溅射电压为350V，沉积速率为3nm/min，溅射过程中，基片温度保持在200°C。然后再在该Sia96Coatl4O薄膜之上采用直流反应溅射的方式沉积一层NiO薄膜，该直流反应溅射沉积步骤中，氩气(Ar)为溅射气体，氧气(O2)为反应气体，Ar和仏的压强分别为0. 24Pa和0. 06Pa，溅射电流为0. 6A，溅射电压为350V，基片温度200°C，沉积速率为7. 2nm/min,Ni0薄膜厚度分别设定为10nm、20nm、30nm、40nm和60nm，得到本发明提供的 LiNb03/Co:Zn0/Ni0结构的ZnO基稀磁薄膜。该ZnO基稀磁薄膜由下至上依次为LiNbO3铁电基片、Zna 96CoQ. Q40稀磁薄膜和NiO 反铁磁薄膜；其中，Sia96Coatl4O稀磁薄膜的厚度为30nm，NiO反铁磁薄膜的厚度为lOnm、 20nm、30nm、40nm 或 60nmo该实施例制备所得ZnO基稀磁薄膜具有良好的沿c轴方向的择优取向，界面清晰平整，附着力较好。超导量子磁强计(SQUID)检测结果表明，LiNb03/Co:Zn0单层膜的室温饱和平均原子磁矩为2. 3 μ B/Co,而本发明提供的双层膜LiNb03/Co:ai0/Ni0结构的ZnO基稀磁薄膜，当NiO厚度范围为IOnm 60nm，双层膜结构的室温饱和平均原子磁矩为3. O μ B/ Co 3. 6μ B/Co，其磁矩大小随着NiO厚度的增大而减小。不同厚度的反铁磁层NiO与 CoiZnO薄膜的界面耦合作用使得Co:ZnO稀磁薄膜的室温饱和平均原子磁矩有不同程度的提尚。实施例2、制备LiNb03/Ni0/Ni ZnO结构的ZnO基稀磁薄膜在LiNbO3铁电基片上采用直流反应溅射的方式沉积NiO薄膜，该直流反应溅射沉积步骤中，氩气(Ar)为溅射气体，氧气(O2)为反应气体，二者的压强分别为0. MI^和 0. 06Pa，基片温度200°C，溅射电流为0. 6A，溅射电压为350V，沉积速率为7. 2nm/min，Ni0薄膜厚度分别设定为10nm、20nm、30nm、40nm和60nm。然后再在NiO薄膜上采用直流反应溅射的方式沉积一层Sia95Niatl5O薄膜(也即 Ni掺杂ZnO薄膜)，掺杂浓度为5. Oat. %，厚度为80nm，该直流反应溅射沉积步骤中，氩气 (Ar)为溅射气体，氧气(O2)为反应气体，Ar和仏的压强分别为0. 3Pa和0. 5Pa，溅射电流为0. 6A，溅射电压为350V，沉积速率为3nm/min，溅射过程中，基片温度保持在200°C，得到本发明提供的LiNb03/Ni0/Ni :ZnO结构的ZnO基稀磁薄膜。该LiNb03/Ni0/Ni :ZnO结构的ZnO基稀磁薄膜由下至上依次为LiNbO3铁电基片、 NiO反铁磁薄膜和Sia95Niatl5O稀磁薄膜。其中，Zna95Niatl5O稀磁薄膜的厚度为80nm，Ni0反铁磁薄膜的厚度为10nm、20nm、30nm、40nm或60nm。该实施例制备所得ZnO基稀磁薄膜具有良好的沿c轴方向的择优取向，界面清晰平整，附着力较好。超导量子磁强计(SQUID)检测结果表明，LiNb03/Ni:ai0单层膜的室温饱和平均原子磁矩为1.61^/&)，双层膜1^恥03/慰0/慰:2110结构，当慰0厚度范围为IOnm 60nm,而本发明提供的双层膜结构的LiNb03/Ni0/Ni ZnO结构的ZnO基稀磁薄膜的室温饱和平均原子磁矩为2. 1 μ B/Co 2. 5 μ B/Co，其磁矩大小随着NiO厚度的增大而减小。不同厚度的反铁磁层MO与M ZnO薄膜的界面耦合作用使得M ZnO稀磁薄膜的室温饱和平均原子磁矩有不同程度的提高。
权利要求
1.一种ZnO基稀磁薄膜，包括基片、位于所述基片上的稀磁薄膜和反铁磁薄膜； 其中，构成所述稀磁薄膜的材料为SvxTMxO，所述SvxTMxO中，χ为0. 2% -10. 0%, TM为过渡金属元素；构成所述反铁磁薄膜的材料选自过渡金属氧化物中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于所述^vxTMxO中，TM选自Co、Ni和!^e中的至少一种，χ为3%-5%，优选4-5% ；所述过渡金属氧化物选自NiO、CoO和CuO中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的薄膜，其特征在于构成所述基片的材料选自LiNb03、Si、 Al2O3和LiTaO3中的至少一种，优选LiNb03。
4.根据权利要求1-3任一所述的薄膜，其特征在于所述稀磁薄膜的厚度为10 400nm，优选15_120nm ；所述反铁磁薄膜的厚度为10 400nm，优选10_60nm。
5.根据权利要求1-4任一所述的薄膜，其特征在于所述ZnO基稀磁薄膜由下至上依次为所述基片、所述稀磁薄膜和所述反铁磁薄膜；或者，所述ZnO基稀磁薄膜由下至上依次为所述基片、所述反铁磁薄膜和所述稀磁薄膜。
6.根据权利要求1-5任一所述的薄膜，其特征在于所述ZnO基稀磁薄膜由下至上依次为所述基片、所述稀磁薄膜和所述反铁磁薄膜；其中，构成所述基片的材料为LiNbO3，构成所述稀磁薄膜的材料为Sia96Coatl4O,构成所述反铁磁薄膜的材料为MO ；所述稀磁薄膜的厚度为30nm，所述反铁磁薄膜的厚度为10-60nm ；所述SiO基稀磁薄膜的室温饱和平均原子磁矩为 3. 0 μ B/Co 3. 6 μ B/Co ；或者，所述ZnO基稀磁薄膜由下至上依次为所述基片、所述反铁磁薄膜和所述稀磁薄膜；其中，构成所述基片的材料为LiNbO3，构成所述反铁磁薄膜的材料为NiO ；构成所述稀磁薄膜的材料为Sv95Niao5O ；所述稀薄膜的厚度为80nm，所述反铁磁薄膜的厚度为 10-60nm ；所述ZnO基稀磁薄膜的室温饱和平均原子磁矩为2. 1 μ B/Co 2. 5 μ B/Co。
7.根据权利要求1-6任一所述的薄膜，其特征在于所述薄膜是按照权利要求8-10任一所述方法制备而得。
8.一种制备权利要求1-6任一所述SiO基稀磁薄膜的方法，为下述方法一或方法二，其中，所述方法一包括如下步骤在基片上依次制备一层稀磁薄膜和一层反铁磁薄膜，得到所述ZnO基稀磁薄膜；所述方法二包括人如下步骤在基片上依次制备一层反铁磁薄膜和一层稀磁薄膜，得到所述ZnO基稀磁薄膜。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于构成所述稀磁薄膜的材料均为SvxTMxO, 所述ZrvxTMxO中，χ为0. 2 % -10. 0 %，优选3 % -5 %，更优选4-5 % ；TM均为过渡金属元素， 优选Co、Ni和狗中的至少一种；构成所述反铁磁薄膜的材料均选自过渡金属氧化物中的至少一种，优选NiO、CoO和CuO中的至少一种；构成所述基片的材料均选自LiNb03、Si、Al2O3和LiI^aO3中的至少一种，优选LiNbO3 ； 所述稀磁薄膜的厚度均为10 400nm，优选15-120nm ；所述反铁磁薄膜的厚度均为 10 400nm，优选 10_60nm。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于所述制备一层稀磁薄膜的方法和制备一层反铁磁薄膜的方法均为物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法和电化学方法中的至少一种，优选直流反应溅射沉积法。
全文摘要
本发明公开了一种ZnO基稀磁薄膜及其制备方法。该ZnO基稀磁薄膜，包括基片、位于基片上的稀磁薄膜和反铁磁薄膜；其中，构成稀磁薄膜的材料为Zn1-xTMxO，所述Zn1-xTMxO中，x为0.2％-10.0％，优选3％-5％，TM为过渡金属元素；构成反铁磁薄膜的材料选自过渡金属氧化物中的至少一种。本发明通过在ZnO基稀磁薄膜上沉积一薄层反铁磁薄膜或在反铁磁薄膜上沉积一层稀磁薄膜来提高ZnO基稀磁薄膜的室温铁磁性，利用室温铁磁性TM:ZnO薄膜和反铁磁薄膜的界面近邻效应，使双层膜结构的室温饱和平均原子磁矩(μB/Co)相对单层稀磁薄膜结构的平均原子磁矩明显增大。
文档编号H01F41/18GK102360710SQ201110166520
公开日2012年2月22日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年6月20日
发明者曾飞, 潘峰, 王钰言, 陈 光 申请人:清华大学