專利名稱：一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及其制備方法，屬于磁性新材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鈮酸鋰是工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域使用最廣泛的人工晶體材料之一。鈮酸鋰在目前已知的所有鐵電體材料中擁有最高的居里溫度和室溫自發(fā)極化效應(yīng)。作為雙折射晶體，鈮酸鋰具有良好的聲波特性以及相對(duì)較大的聲光品質(zhì)因數(shù)。另外，鈮酸鋰晶體還表現(xiàn)出非常強(qiáng)的光伏特性。這種特性促使其內(nèi)部產(chǎn)生有效的電荷遷移，結(jié)合晶體的線性光電特性，可以產(chǎn)生顯著的光折變效應(yīng)。這些大數(shù)量級(jí)的物理效應(yīng)使得鈮酸鋰在諸如聲表面器件、光振幅調(diào)制器、光相位調(diào)制器、二次諧波發(fā)生器等相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鈮酸鋰晶體的摻雜工程，一直是人工晶體領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。對(duì)鈮酸鋰晶體進(jìn)行摻雜，可以很大程度上調(diào)節(jié)晶體包括光學(xué)、電磁學(xué)等各種重要的物理性能。目前對(duì)鈮酸鋰的摻雜主要基于光折變方面的應(yīng)用，但是用于光折變的過渡金屬元素的摻雜量都非常小，以至于人們忽略了通過鈮酸鋰摻雜可能產(chǎn)生的磁學(xué)和電學(xué)性能。研究過渡金屬摻雜鈮酸鋰結(jié)構(gòu)與磁性，有可能得到更多用于自旋電子學(xué)和多鐵性研究的自旋源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及其制備方法。本發(fā)明提供的一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜中摻雜Co、Mn、V、Cr和狗中至少一種元素。上述的鈮酸鋰薄膜中，所述鈮酸鋰薄膜中，Co、Mn、V、Cr和！^中任一種元素的原子百分?jǐn)?shù)可為_5%，如1%、2%或5%。上述的鈮酸鋰薄膜中，所述鈮酸鋰薄膜的厚度可為0-200nm，但不為0。本發(fā)明還提供了上述鈮酸鋰薄膜的制備方法，包括如下步驟采用離子注入法向鈮酸鋰基底中注入Co、Mn、V、Cr和!^e中至少一種元素；所述注入采用至少三種不同的注入
能量°上述的制備方法中，所述注入能量可為選自20keV-300keV中的能量。上述的制備方法中，所述注入能量可為選自20keV-300keV中的任三種能量；具體可為下述三種能量中任一種(l)300keV、120keV 和 27. 5keV、O) 300keV、IlOkeV 和 25keV 和( 300keVU IOkeV和30keV，可實(shí)現(xiàn)從所述鈮酸鋰薄膜表面到大約200nm深度的均勻摻
ο由于離子注入的過程中的摻雜離子在基體中分布的濃度內(nèi)外差別比較大，不利于獲得摻雜均勻的材料。所以，本發(fā)明采取了多種能量注入的方法，通過多個(gè)不同劑量的疊加，較大程度上消除了單次離子注入時(shí)濃度分布不均的影響，得到了摻雜均勻的具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜。


圖1為實(shí)施例1制備的薄膜127. 86切向的鈮酸鋰基片的XRD圖譜。圖2為實(shí)施例2制備薄膜的鈮酸鋰截面區(qū)域低倍掃描像。
具體實(shí)施例方式下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。下述實(shí)施例中所用的離子注入機(jī)的型號(hào)為L(zhǎng)C-4。實(shí)施例1、V摻雜的鈮酸鋰薄膜的制備向鈮酸鋰基底中注入V元素，形成厚度約為200nm的摻雜鈮酸鋰薄膜控制離子注入機(jī)的注入能量分別為300keV、120keV和27. 5keV，三種注入能量依次對(duì)應(yīng)的劑量分別為 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，則得到鈮酸鋰薄膜的摻雜V的原子百分?jǐn)?shù)為2%。V取代鈮酸鋰中的Nb位，與周圍的氧原子形成了的扭曲的VO6八面體結(jié)構(gòu)，以及氧空位的存在，對(duì)局域磁矩的產(chǎn)生和相互耦合起著重要的作用，測(cè)得制備V摻雜的鈮酸鋰薄膜的單位原子磁矩為3. 82 μ B/V。圖1為上述制備的V摻雜的鈮酸鋰薄膜的127. 86切向的鈮酸鋰基片的XRD圖譜， 從圖中可以看出，該基片的取向良好，是很好的基底選擇。本實(shí)施例通過SRIM(Stopping and Range of Ions in Matter)軟件模擬摻雜離子V在鈮酸鋰基底中200nm深度范圍內(nèi)的分布，并通過計(jì)算選擇出三個(gè)疊加后均勻性最好的注入能量和注入劑量，實(shí)現(xiàn)從鈮酸鋰表面到大約200nm深度的均勻摻雜。實(shí)施例2、Co摻雜的鈮酸鋰薄膜的制備向鈮酸鋰基底中注入Co元素，形成厚度約為200nm的摻雜鈮酸鋰薄膜控制離子注入機(jī)的注入能量分別為300keV、IlOkeV和30keV，三種注入能量依次對(duì)應(yīng)的劑量分別為
1.3X IO16原子/Cm_2、5· 4X IO15原子/cm—2和1.9X1015原子/cm—2，則得到鈮酸鋰薄膜的摻雜Co的原子百分?jǐn)?shù)為5%。Co取代鈮酸鋰中的Nb位，在晶胞當(dāng)中形成了束縛磁極子，從而產(chǎn)生局域磁矩并在整個(gè)晶胞中長(zhǎng)程傳遞，實(shí)驗(yàn)測(cè)得制備Co摻雜的鈮酸鋰薄膜的單位原子磁矩為1. 3 μ B/Co。上述制備的薄膜的截面區(qū)域低倍掃描像如圖2所示，從圖中可以看出，注入后的鈮酸鋰樣品表面仍然平整，注入層圖像的襯度非常均勻。實(shí)施例3、Fe摻雜的鈮酸鋰薄膜的制備向鈮酸鋰基底中注入!^e元素，形成厚度約為200nm的摻雜鈮酸鋰薄膜控制離子注入機(jī)的注入能量分別為300keV、IlOkeV和25keV，三種注入能量依次對(duì)應(yīng)的劑量分別為
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，則得到鈮酸鋰薄膜的摻雜狗的原子百分?jǐn)?shù)為1%。Fe取代鈮酸鋰中的Li位，采用第一性原理LDA+U方法計(jì)算的電子結(jié)構(gòu)證明了摻雜的狗原子與近鄰的Nb原子產(chǎn)生了強(qiáng)烈的d-d耦合，并且在整個(gè)晶胞中的長(zhǎng)程傳遞中起作用，實(shí)驗(yàn)測(cè)得制備狗摻雜的鈮酸鋰薄膜的單位原子磁矩為3. 33 μ B/i^e。
權(quán)利要求
1.一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜，其特征在于所述鈮酸鋰薄膜中摻雜Co、Mn、V、 Cr和!^e中至少一種元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鋰薄膜，其特征在于所述鈮酸鋰薄膜中，Co、Mn、V、Cr 和!^e中任一種元素的原子百分?jǐn)?shù)為_5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈮酸鋰薄膜，其特征在于所述鈮酸鋰薄膜的厚度為 0-200nm，但不為 0。
4.權(quán)利要求1-3中任一所述鈮酸鋰薄膜的制備方法，包括如下步驟采用離子注入法向鈮酸鋰基底中注入Co、Mn、V、Cr和!^e中至少一種元素；所述注入采用至少三種不同的注入能量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述注入能量為選自20keV-300keV中的能量°
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于所述注入能量為選自20keV-300keV 中的任三種能量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述注入能量依次為300keV、120keV和 27. 5keV0
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述注入能量依次為300keV、IlOkeV和 25keV0
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述注入能量依次為300keV、IlOkeV和 30keVo
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及其制備方法。所述鈮酸鋰薄膜中摻雜Co、Mn、V、Cr和Fe中至少一種元素。本發(fā)明提供的鈮酸鋰薄膜的制備方法，包括如下步驟采用離子注入法向鈮酸鋰基底中注入Co、Mn、V、Cr和Fe中至少一種元素；所述注入采用至少三種不同的注入能量。由于離子注入的過程中的摻雜離子在基體中分布的濃度內(nèi)外差別比較大，不利于獲得摻雜均勻的材料。
文檔編號(hào)C23C14/48GK102360709SQ201110170928
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者唐光盛, 曾飛, 潘峰, 盛蓬 申請(qǐng)人:清華大學(xué)