一种含有Fe的纳米薄膜材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种含有Fe的纳米薄膜材料，包括绝缘基底以及镀在绝缘基底表面的纳米薄膜；所述纳米薄膜的化学式FexCry(BizSb1-z)2-x-ySe3表示，其中0<x<0.05，0.1<y<0.3，0.1<z<0.3，且1:1<z:y<2:1，所述纳米薄膜镀在绝缘基底表面的厚度为5-50nm。本发明提供的含有Fe的纳米薄膜材料大大提高了获得量子化反常霍尔效应的温度，其温度可以高达50K，同时，对材料厚度的要求也大大放宽，最厚可以达到50nm，从而更容易应用于工业化生产。
【专利说明】一种含有Fe的纳米薄膜材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料物理领域，具体涉及一种含有Fe的纳米薄膜材料及其制备方法。【背景技术】
[0002]霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应:在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压。人类日常生活中常用的很多电子器件都是利用霍尔效应实现的，例如汽车上广泛应用的信号传感器、汽车速度表和里程表、A B S系统中的速度传感器、发动机转速及曲轴角度传感器等。然而，霍尔效应的产生需要非常强的磁场，不但导致价格昂贵，而且占用空间，不适合当今的手机、个人电脑和便携式计算机。而量子反常霍尔效应则是不需要任何外加磁场的情况下实现量子霍尔态，从而可以方便地应用到人们日常所需的电子器件中。并且，量子反常霍尔效应能解决电子碰撞发热的问题，因而在未来的量子计算、量子信息存储方面具有巨大的应用潜力，据此设计具有极低的能耗的新一代大规模集成电路和元器件。因此，量子反常霍尔效应有可能推动新一代低能耗晶体管和电子学器件发展，通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，即使千亿次的超级计算机都有望做成现在的平板电脑的大小。
[0003]要实现量子反常霍尔效应，其关键在于材料的制备。然而，关于量子反常霍尔效应的材料的报道较少。专利CN 103000804 A提出了一种本发明涉及一种产生量子化反常霍尔效应的方法，然而，使用该方法必须要在温度小于或等于10开尔文下才能获得；专利CN 103022344 A提出了一种拓扑绝缘体结构用来实现量子化反常霍尔效应，然而其制备的薄膜必须非常薄，其厚度为3至5纳米，同时其温度也必须低于1.5k。获得量子化反常霍尔效应的温度过低以及薄膜厚度太小，都大大限制了其实际的应用以及工业化生产。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种大大提高了产生量子化反常霍尔效应的温度，同时，由于可以采用厚度较大的薄膜、更易于应用于工业生产含有Fe的纳米薄膜材料；本发明还提供了该纳米薄膜的生产方法。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明提供的一种含有Fe的纳米薄膜材料，包括绝缘基底以及镀在绝缘基底表面的纳米薄膜；所述纳米薄膜的化学式由FexCry (BizSbh)2TySe3 表示，其中 0〈χ〈0.05，0.l<y<0.3,0.1〈ζ〈0.3，且 l:l〈z:y〈2:l ;所述纳米薄膜镀在绝缘基底表面的厚度为5-50nm。
[0006]本发明的材料是Fe、Cr掺杂的(Bi，Sb) 2Se3体系，由于Fe、Cr元素存在不饱和磁矩，元素间的交互作用改变了材料的能带结构，在该体系中形成了较强的铁磁交换机制，使得该材料体系能够在更大的厚度、更高的温度下形成稳定的铁磁绝缘体，实现量子反常霍尔效应。
[0007]进一步地，所述绝缘基底可以是钛酸锶、钛酸钡、刚玉或者金刚石中的一种。[0008]进一步地，所述绝缘基底的厚度为0.l-10mm。
[0009]优选地，0.005〈χ〈0.045。
[0010]优选地，0.ll〈y〈0.28。
[0011]优选地，0.11〈ζ〈0.26。
[0012]优选地，所述纳米薄膜镀在绝缘基底表面的厚度为35 - 50nm。
[0013]上述的含有Fe的纳米薄膜材料的制备方法，其特征在于:其制备步骤包括如下:
(1)选取绝缘基底材料，使其表面为(111)晶面，并在小于50-90°C的去离子水中加热I至2小时，然后在氧气和氩气氛围中800-1200°C灼烧2至3小时；然后放置于真空度大于10_8Torr的分子束外延系统过渡腔中；
(2)将基底加热到400°C，保温I小时，进行除气处理；
(3)将基底转入生长室，同时准备Fe、Cr、B1、Sb、Se材料；
(4)将生长室的真空度调整到KT9Torr以上，在分子束外延腔体中同时形成Fe、Cr、B1、Sb、Se的束流，控制其流量，在基底上生长出原子级光滑的FexCry(BizSbh)2IySe3薄膜，整个过程保持基底的温度为150-250°C范围内；其中0〈x〈0.05,0.l<y<0.3,0.1〈ζ〈0.3，且1: l<z:y<2:1,薄膜的厚度为 5-50nm ；
(5)步骤(4)中的外延生长结束后，仍然保持基底的温度I小时以上。
[0014]进一步地，所述步骤(I)中的氧气和氩气氛围中的灼烧温度为1000°C。
[0015]有益效果:本发明相对于现有技术而言，具有以下优势:
本发明提供的含有Fe的纳米薄膜材料大大提高了获得量子化反常霍尔效应的温度，其温度可以高达50K，同时对材料厚度的要求也大大放宽，最厚可以达到50nm，从而更容易应用于工业化生产。
[0016]本发明提供的含有Fe的纳米薄膜材料制备方法，制备步骤简单，容易实现工业化
批量生产。
【具体实施方式】
[0017]下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
[0018]以下实施例均是采用霍尔效应实验的一般测试方法，即在绝缘薄膜上采用电子束蒸镀的方法制备背栅电极、源极和漏极以及输出电极，沿绝缘薄膜长度方向通以恒定电流，同时保持外磁场为零，测试垂直于恒定电流方向的霍尔电阻，该电阻即为反常霍尔电阻。
[0019]以下实施例中绝缘基底的材料不做特殊限制，只要足以支撑采用分子束外延的方法制备含有Fe的纳米薄膜材料即可；例如可以是钛酸锶、钛酸钡、刚玉、(人造)金刚石等；为了与对比例对照效果突出，都选用了刚玉做为绝缘基底的材料。
[0020]以下实施例的制备方法均采用同一方法制备，即:
(1)选取绝缘基底材料，使其表面为(111)晶面，并在小于90°C的去离子水中加热I小时，然后在氧气和氩气氛围中1000°C°C灼烧2小时；然后放置于真空度大于KT8Torr的分子束外延系统过渡腔中；
(2)将基底加热到400°C，保温I小时，进行除气处理；
(3)将基底转入生长室，同时准备Fe、Cr、B1、Sb、Se材料；
(4)将生长室的真空度调整到KT9Torr以上，在分子束外延腔体中同时形成Fe、Cr、B1、Sb、Se的束流，控制其流量，在基底上生长出原子级光滑的FexCry(BizSbh)2IySe3薄膜，整个过程保持基底的温度为150-250°C范围内；其中0〈x〈0.05,0.l<y<0.3,0.1〈ζ〈0.3，且1: l<z:y<2:1,薄膜的厚度为 5-50nm ；
(5)外延生长结束后，仍然保持基底的温度I小时以上。
[0021]实施例1
一种含有Fe的纳米薄膜材料，基底为刚玉，制得的薄膜为Fe0.005Cr0.21 (Bi0.13Sb0.87) L 785Se3，厚度为5纳米。
[0022]在温度为40K下，外加磁场强度为零，测得最大的霍尔电阻约为23.0k Ω。
[0023]实施例2
一种含有Fe的纳米薄膜材料，基底为刚玉，制得的薄膜为Fe0.015Cr0.28(Bi0.23Sb0.77)L 705Se3，厚度为35纳米。
[0024]在温度为40K下，外加磁场强度为零，测得最大的霍尔电阻约为25.8k Ω。
[0025]实施例3
一种含有Fe的纳米薄膜材料基底为刚玉，制得的薄膜为Feaci45Crail(Bia23Sba77)h 845Se3，厚度为50纳米。
[0026]在温度为40K下，外加磁场强度为零，测得最大的霍尔电阻约为25.0k Ω。
[0027]实施例4
一种含有Fe的纳米薄膜材料基底为刚玉，制得的薄膜为Fe0.02Cr0.18(Bi0.13Sb0.87)L8Se3,厚度为18纳米。
[0028]在温度为50K下，外加磁场强度为零，测得最大的霍尔电阻约为25.8k Ω。
[0029]实施例5
一种含有Fe的纳米薄膜材料，基底为刚玉，制得的薄膜为Fe0.025Cr0.16(Bi0.26Sb0.74)L815Se3，厚度为9纳米。
[0030]在温度为50K下，外加磁场强度为零，测得最大的霍尔电阻约为22.3kΩ。
[0031]实施例6
一种含有Fe的纳米薄膜材料，基底为刚玉，制得的薄膜为Fe0.04Cr0.18(Bi0.16Sb0.84)L78Se3，厚度为28纳米。
[0032]在温度为50K下，外加磁场强度为零，测得最大的霍尔电阻约为25.8k Ω。
[0033]对比例I
一种含有Fe的纳米薄膜材料，基底为刚玉，制得的薄膜为Cra2 (Bia21Sba79) USe3，厚度为29纳米。
[0034]在温度为50K下，外加磁场强度为零，未观测到量子反常霍尔效应。
[0035]对比例2
一种含有Fe的纳米薄膜材料，基底为刚玉，制得的薄膜为Crai6(Bia AH84Te3，厚度为45纳米。
[0036]在温度为30K下，外加磁场强度为零，未观测到量子反常霍尔效应。
[0037]对比例3
一种含有Fe的纳米薄膜材料，基底为刚玉，制得的薄膜为Cra36(Bia33Sba Jh64Se3，厚度为15纳米。[0038]在温度为15K下，外加磁场强度为零，未观测到量子反常霍尔效应。
[0039]从以上实施例和对比例中可以看出，实施例在本实验条件下，得到的含有Fe的纳米薄膜材料的反常霍尔电阻可以达到20kQ以上，即达到了量子反常霍尔效应；而对比例在本实验条件下均观测到量子反常霍尔效应。
[0040]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种含有Fe的纳米薄膜材料，其特征在于:包括绝缘基底以及镀在绝缘基底表面的纳米薄膜；所述纳米薄膜的化学式由FexCry(BizSbh)2IySe3表示，其中0〈x〈0.05,0.l<y<0.3,0.1<ζ<0.3,且l:l〈Z:y〈2:l，所述纳米薄膜镀在绝缘基底表面的厚度为5_50nmo
2.根据权利要求1所述的含有Fe的纳米薄膜材料，其特征在于:所述绝缘基底可以是钛酸锶、钛酸钡、刚玉或者金刚石中的一种。
3.根据权利要求1所述的含有Fe的纳米薄膜材料，其特征在于:所述绝缘基底的厚度为 0.l-10mm。
4.根据权利要求1所述的含有Fe的纳米薄膜材料，其特征在于:0.005<x<0.045。
5.根据权利要求1所述的含有Fe的纳米薄膜材料，其特征在于:0.ll〈y〈0.28。
6.根据权利要求1所述的含有Fe的纳米薄膜材料，其特征在于:0.11<ζ<0.26。
7.根据权利要求1所述的含有Fe的纳米薄膜材料，其特征在于:所述纳米薄膜镀在绝缘基底表面的厚度为35 - 50nm。
8.—种权利要求1?7中任一项所述的含有Fe的纳米薄膜材料的制备方法，其特征在于:其制备步骤包括如下: (1)选取绝缘基底材料，使其表面为(111)晶面，并在小于50-90°C的去离子水中加热I至2小时，然后在氧气和氩气氛围中800-1200°C灼烧2至3小时；然后放置于真空度大于10_8Torr的分子束外延系统过渡腔中； (2)将基底加热到400°C，保温I小时，进行除气处理； (3)将基底转入生长室，同时准备Fe、Cr、B1、Sb、Se材料； (4)将生长室的真空度调整到KT9Torr以上，在分子束外延腔体中同时形成Fe、Cr、B1、Sb、Se的束流，控制其流量，在基底上生长出原子级光滑的FexCry(BizSbh)2IySe3薄膜，整个过程保持基底的温度为150-250°C范围内；其中0〈x〈0.05,0.l<y<0.3,0.1〈ζ〈0.3，且1: l<z:y<2:1,薄膜的厚度为 5-50nm ； (5)步骤(4)结束后，仍然保持基底的温度I小时以上即可。
9.根据权利要求8中所述的含有Fe的纳米薄膜材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(I)中的氧气和氩气氛围中的灼烧温度为1000°C。
【文档编号】H01L49/02GK103647023SQ201310610481
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】杨卫国 申请人:江苏科技大学