專利名稱：具有低溫磁電阻效應的外延Ti<sub>0.53</sub>Cr<sub>0.47</sub>N薄膜材料及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自旋電子學材料技術，特別是一種具有較高自旋極化率的新型鐵磁材料及制備方法，更具體地，是一種具有低溫磁電阻效應的Tia53Cra47N外延薄膜材料及制備方法。
背景技術：
近年來，由于在磁信息存儲和讀取方面具有巨大的應用前景，自旋電子學材料備受關注。2007年的諾貝爾物理學獎授予了自旋電子學的開創(chuàng)者Albert !^ert和Peter Grunberg兩位教授?，F(xiàn)在，如何獲取高自旋極化的電流仍然是自旋電子學領域的熱點問題之一。獲得高自旋注入的辦法主要有選擇高自旋極化率的電極材料，特別是能和半導體材料復合在一起的具有高自旋極化率的鐵磁性材料。第一性原理計算表明，F(xiàn)e3O4、La1^xAxMnO3 (LAM0，A為堿土元素Ca、Sr和Ba等)、 CrO2, NiMnSb等材料的能帶結構介于金屬和絕緣體之間，被稱為半金屬材料。對于一個自旋方向，半金屬材料的能帶結構具有金屬特性，在費米面附近具有一定的態(tài)密度；而對另一種自旋方向，其能帶結構具有絕緣體特性，在費米面附近態(tài)密度為零或電子是局域化的。因此，從理論上講，半金屬材料應具有100%的自旋極化率。但是迄今為止，對于!^e3O4材料， 在實驗上并沒有得到高的自旋極化率，也不清楚!^e3O4是否具有半金屬特性，尤其是在室溫條件下。LAMO和CrO2材料的居里溫度都比較低，不能滿足實際應用的要求。Heusler合金的結構比較復雜，價格也比較貴，不容易制備，并不利于實際生產。因此，尋找具有高自旋極化率的新型鐵磁性電極材料是進一步發(fā)展自旋電子學器件的關鍵因素和研究熱點。氮化鈦晶體屬立方晶系，面心立方結構，其晶格常數(shù)a = 0. 42173nm。氮化鈦薄膜具有優(yōu)異的機械、熱、電和防腐性能，由于硬度高、摩擦系數(shù)低，被廣泛用作模具、刀具等的耐磨改性層；由于抗磨損、防腐性能好、熔點高、高溫穩(wěn)定性好，被廣泛用于飛行器和火箭等航空航天零部件；由于導電、導熱性能好，在微電子領域中常用作阻擋層。如果將磁性元素摻雜到氮化鈦體系中，如能獲得即具有磁性有導電的材料，將會推動氮化鈦材料的新用途。目前，國內外的實驗報道中只有日本的K. Inumaru等人在APPLIED PHYSICS LETTERS 91，152501 (2007)上報道的采用脈沖激光沉積方法制備高Cr含量摻雜的TiN外延薄膜中發(fā)現(xiàn)磁電阻現(xiàn)象；為了對比研究他們還在PHYSICAL REVIEW B 78,052406(2008)上報道了采用化學方法制備的高Cr含量摻雜的TiN固溶體中發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。但是樣品的居里溫度低于室溫，不能達到實際應用的要求。另外，實際應用中多以薄膜材料為主，制備方法多采用濺射法。但到目前為止國際上并沒有關于采用濺射法制備Cr摻雜TiN外延薄膜的相關報道。
發(fā)明內容
從工業(yè)化生產的角度來講，需要使用濺射法來制備樣品；從實際應用上需要制備的樣品具有較高的自旋極化率。本發(fā)明即從以上兩個目的出發(fā)，開發(fā)了反應磁控濺射法制備Tia53Cra47N外延薄膜，并且觀察到低溫磁電阻效應，證明具有較高的自旋極化率。本發(fā)明制備的具有低溫磁電阻效應的外延薄膜材料，材料為Tia53Cra47N,在溫度為漲和磁場為50k0e下，磁電阻為6%。Tia53Cra47N外延薄膜材料的制備方法，方法如下本發(fā)明在制備Tia 53Cr0.47N外延薄膜時，所采用的基底材料為MgO (100)單晶片。本發(fā)明的具體制備方法是經(jīng)過如下步驟實現(xiàn)的Tia53Cra47N外延薄膜材料的制備方法，方法如下1)采用中科院沈陽科學儀器研制中心生產的DPS-III型超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機，基底材料為MgO (100)單晶片，在對向的靶頭上安裝一對純度為99. 99 %的Ti靶， 一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極；Ti靶材厚度為4mm，直徑為60mm ；為了摻入Cr，在 Ti靶的表面均勻放置Cr片，Cr片的面積為6mm2，Cr片的數(shù)量為200片，通過成分分析得到樣品中Cr相對于Cr和Ti原子數(shù)總和的原子百分含量為47%;兩個靶之間的距離為80mm， 靶的軸線與放有MgO基底材料的樣品架之間的距離為80mm ；2)將MgO基底材料通過超聲波的方式將表面雜質清除后，將MgO基底材料安裝在對向靶連線的中垂線處的基片架上；3)開啟DPS-III超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機，先后啟動一級機械泵和二級分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度優(yōu)于6X 10-6 ；4)向真空室通入純度為99. 999%的Ar和N2的混合氣體，將真空度保持在lPa，其中Ar氣的流量為50sccm，N2氣的流量為50sccm ；5)將MgO基底材料溫度以10°C /秒的速度升至550°C ；6)開啟濺射電源，在一對Ti靶上施加0. 2A的電流和800V的直流電壓，預濺射10 分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；7)打開基片架上的檔板開始濺射，MgO基底材料位置固定；8)濺射結束后，關閉基片架上的檔板，然后關閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar 和N2,完全打開閘板閥，繼續(xù)抽真空，并且將MgO基底材料溫度以5°C /min的降溫速率降至室溫，然后關閉真空系統(tǒng)。向真空室充入純度為99. 999%的氮氣，打開真空室，取出MgO基底材料上外延生長的Tia53Cra47N薄膜樣品。本發(fā)明所涉及的Tia 53Cr0.47N外延薄膜在自旋電子學器件上具有應用價值，例如在磁性隨機存儲器中可以作為自旋注入材料層，并且本發(fā)明采用反應濺射法是工業(yè)上生產薄膜材料的方法、靶材選擇簡單和靶材使用率較高等優(yōu)點。為確認本發(fā)明最佳的實施方案，我們對本發(fā)明所制備的薄膜進行了 X射線衍射， 磁性質和電輸運特性的測量。圖1給出了本發(fā)明中制備的Tia53Cra47N外延薄膜的X射線衍射譜。從圖中可以看出，只出現(xiàn)了 Tia53Cra47NOOO)和G00)的衍射峰，說明樣品為外延生長的薄膜樣品。圖2給出了本發(fā)明中制備的Tia53Cra47N外延薄膜在15K下的磁化曲線。從圖中可以看出，樣品表現(xiàn)為鐵磁性。圖3給出了本發(fā)明制備的Tia53Cra47N外延薄膜的電阻率隨溫度的變化關系曲線。 從圖中可以看出，在高溫處，樣品的電阻率隨著溫度的降低而降低，在120K處出現(xiàn)轉變，并在低溫處，出現(xiàn)電阻率隨著溫度的降低而升高的現(xiàn)象。圖4給出了本發(fā)明制備的Tia53Cra47N外延薄膜的漲下的磁電阻隨外加磁場的變化關系曲線。從圖中可以看出，樣品的磁電阻為6%，并且在50k0e的磁場下仍然未達到飽和。與其它方法制備的Tia53Cr“小外延薄膜的方法相比，本發(fā)明所制備的薄膜具有低溫磁電阻效應，所采用的方法簡單實用，有利于在工業(yè)生產上的推廣。具體如下由于目前工業(yè)化生產所采用的主要方法是濺射法，本發(fā)明所采用的反應濺射法， 與 K. humaru 等人在 APPLIED PHYSICS LETTERS 91,152501 (2007)和 PHYSICAL REVIEW B 78,052406(2008)上報道的脈沖激光沉積和化學方法相比，在工業(yè)化生產上具有明顯優(yōu)勢。
圖1給出了本發(fā)明中制備的Tia53Cra47N外延薄膜的X射線衍射譜。圖2給出了本發(fā)明中制備的Tia53Cra47N外延薄膜在15K下的磁化曲線。圖3給出了本發(fā)明制備的Tia53Cra47N外延薄膜的電阻率隨溫度的變化關系曲線。圖4給出了本發(fā)明制備的Tia53Cra47N外延薄膜的漲下的磁電阻隨外加磁場的變化關系曲線。
具體實施例方式根據(jù)我們對本發(fā)明中所制備的樣品進行的結構和性質分析，下面將對向靶反應濺射方法制備Tia53Cra47N外延薄膜的最佳實施方式進行詳細地說明1、采用中科院沈陽科學儀器研制中心生產的DPS-III型超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機，基底材料為MgO(100)單晶片，在對向的靶頭上安裝一對純度為99. 99%的Ti靶， 一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極；Ti靶材厚度為4mm，直徑為60mm ；為了摻入Cr，在 Ti靶的表面均勻放置Cr片，Cr片的面積為6mm2，Cr片的數(shù)量為200片，通過成分分析得到樣品中Cr相對于Cr和Ti原子數(shù)總和的原子百分含量為47%;兩個靶之間的距離為80mm， 靶的軸線與放有MgO基底材料的樣品架之間的距離為80mm ；2、將MgO基底材料通過超聲波的方式將表面雜質清除后，將MgO基底材料安裝在對向靶連線的中垂線處的基片架上；3、開啟DPS-III超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機，先后啟動一級機械泵和二級分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度優(yōu)于6X 10-6 ；4、向真空室通入純度為99. 999%的Ar和N2的混合氣體，將真空度保持在lPa，其中Ar氣的流量為50sccm，N2氣的流量為50sccm ；5、將MgO基底材料溫度以10°C /秒的速度升至550°C ；6、開啟濺射電源，在一對Ti靶上施加0. 2A的電流和800V的直流電壓，預濺射10 分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；7、打開基片架上的檔板開始濺射，MgO基底材料位置固定；8、濺射結束后，關閉基片架上的檔板，然后關閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar 和N2,完全打開閘板閥，繼續(xù)抽真空，并且將MgO基底材料溫度以5°C /min的降溫速率降至室溫，然后關閉真空系統(tǒng)。向真空室充入純度為99. 999%的氮氣，打開真空室，取出MgO基底材料上外延生長的Tia53Cra47N薄膜樣品。 我們對本發(fā)明所制備的薄膜進行了 X射線衍射，磁性質和電輸運特性的測量，結果如圖1、2、3、4所述。
權利要求
1.具有低溫磁電阻效應的外延薄膜材料，其特征是外延薄膜材料為Tia53Cra47N,在溫度為漲和磁場為50k0e下，磁電阻為6%。
2.權利要求1的外延薄膜材料的制備方法，其特征是方法如下1)采用中科院沈陽科學儀器研制中心生產的DPS-III型超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機，基底材料為MgO (100)單晶片，在對向的靶頭上安裝一對純度為99. 99%的Ti靶，一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極；Ti靶材厚度為4mm，直徑為60mm ；為了摻入Cr，在Ti靶的表面均勻放置Cr片，Cr片的面積為6mm2，Cr片的數(shù)量為200片，通過成分分析得到樣品中Cr相對于Cr和Ti原子數(shù)總和的原子百分含量為47%;兩個靶之間的距離為80mm，靶的軸線與放有MgO基底的基片架之間的距離為80mm ；2)將MgO基底材料通過超聲波的方式將表面雜質清除后，將MgO基底材料安裝在對向靶連線的中垂線處的基片架上；3)開啟DPS-III超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機，先后啟動一級機械泵和二級分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度優(yōu)于6X 10-6 ；4)向真空室通入純度為99.999%的Ar和N2的混合氣體，將真空度保持在lPa，其中Ar 氣的流量為50sccm，N2氣的流量為50sccm ；5)將MgO基底材料溫度以10°C/秒的速度升至550°C ；6)開啟濺射電源，在一對Ti靶上施加0.2A的電流和800V的直流電壓，預濺射10分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；7)打開基片架上的檔板開始濺射，MgO基底材料位置固定；8)濺射結束后，關閉基片架上的檔板，然后關閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar和N2, 完全打開閘板閥，繼續(xù)抽真空，并且將MgO基底材料溫度以5°C /min的降溫速率降至室溫， 然后關閉真空系統(tǒng)。向真空室充入純度為99. 999%的氮氣，打開真空室，取出MgO基底上外延生長的Tia53Cra47N薄膜樣品。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有低溫磁電阻效應的Ti0.53Cr0.47N外延薄膜材料及制備方法。外延薄膜材料為Ti0.53Cr0.47N，在溫度為5K和磁場為50kOe下，磁電阻為6％。采用中科院沈陽科學儀器研制中心生產的DPS-III型超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機，基底材料為MgO(100)單晶片，在對向的靶頭上安裝一對純度為99.99％的Ti靶，一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極；在Ti靶的表面均勻放置Cr片，通過抽真空、預濺射、溫度調整、電流電壓的控制等條件的選擇，制備了MgO基底材料上外延生長的Ti0.53Cr0.47N薄膜樣品。本發(fā)明所制備的薄膜具有低溫磁電阻效應，所采用的方法簡單實用，有利于在工業(yè)生產上的推廣。
文檔編號C23C14/06GK102418069SQ20111032575
公開日2012年4月18日 申請日期2011年10月24日 優(yōu)先權日2011年10月24日
發(fā)明者段秀峰, 白海力, 米文博 申請人:天津大學