本發(fā)明屬于薄膜材料技術(shù)領域，具體涉及一種外延生長多種相結(jié)構(gòu)的氮化鐵薄膜的方法。

背景技術(shù)：

氮化鐵是典型的填隙合金，直徑小的n原子有序占據(jù)fe原子形成的間隙位，在fe的晶格中引入化學應力。隨著氮含量和溫度的變化，在應力誘導下，氮化鐵展現(xiàn)出了豐富的相結(jié)構(gòu)，包括α-fe(n)、α′-fe8n、α″-fe16n2、γ′-fe4n、ε-fe3-xn、ζ-fe2n、γ″-fen和γ″′-fen等，和多樣的磁結(jié)構(gòu)，包括鐵磁性、順磁性和反鐵磁性。圖1中給出了氮化鐵在常溫常壓下能夠穩(wěn)定存在的相結(jié)構(gòu)，圖中n:fe小于0.5的α″-fe16n2、γ′-fe4n和ε-fe3-xn(0≤x<1)具有高的飽和磁化強度和低的矯頑力，是理想的軟磁材料。特別是γ′-fe4n和ε-fe3-xn還具有高居里溫度、高自旋極化率、良好的熱穩(wěn)定性和耐磨損性，因此是制備磁傳感器、讀出磁頭等自旋電子器件所需的磁性材料，迫使人們對其制備工藝、磁性、電子輸運性質(zhì)以及在自旋電子器件中的應用進行深入的研究。

在器件制備方面，以γ′-fe4n外延薄膜為磁性電極，相繼制備和研究了fe4n/cu3n/fe4n、fe3n(多晶)/aln/fe4n、fe4n/mgo/fe、和cofeb/mgo/fe4n隧道結(jié)的磁電性質(zhì)，觀察到了電流誘導的磁開關行為隧穿磁電阻(tmr)的數(shù)值提高到了75％。由于磁隨機存儲器要求tmr的數(shù)值要高于150％，用γ′-fe4n外延薄膜制備的隧道結(jié)還遠不能達到器件應用要求。為了進一步提高tmr的數(shù)值，最終實現(xiàn)氮化鐵在自旋器件中的應用，需要從影響隧道結(jié)tmr的兩個關鍵點切入，一方面從磁性電極材料選擇方面入手，根據(jù)jullière模型，從氮化鐵中尋找自旋極化率更高的相來替代γ′-fe4n相，進而提高tmr；另一方面從制備工藝角度入手，使隧道結(jié)的兩個磁性層和非磁性層相互之間高度外延，以降低乃至消除電子在界面的散射，利用相干電子隧穿提高tmr。由于氮化鐵外延薄膜制備工藝的不足，導致氮化鐵在以上兩個方面的研究進展緩慢，限制了氮化鐵在自旋電子器件中的應用。

理論預言ε-fe3-xn具有比γ′-fe4n更高的自旋極化率，并且用氮含量x能夠連續(xù)調(diào)控ε-fe3-xn的磁性(ε-fe3-xn的磁化強度和居里溫度隨著x的增大而減小，x＝3時，ms～1400emu/cm³，fe原子磁矩約為2.2μb，tc＝575k；x＝2時，轉(zhuǎn)變?yōu)棣?fe2n相，磁性消失)。若將ε-fe3-xn外延薄膜應用于隧道結(jié)中，將能夠進一步提高tmr的數(shù)值。但ε-fe3-xn相對復雜的六角結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)特性，導致了ε-fe3-xn薄膜的外延生長，以及薄膜中氮含量(即磁性)的連續(xù)調(diào)控始終沒有得到很好的解決。因此文獻中對ε-fe3-xn薄膜的研究相對較少，同時造成了ε-fe3-xn的磁各向異性、載流子濃度，電子遷移率，各向異性磁電阻，乃至自旋極化率等基本實驗參數(shù)的不足乃至空白，局限了ε-fe3-xn在自旋電子器件中的應用。除器件應用外，ε-fe3-xn外延薄膜的制備和氮含量可連續(xù)調(diào)控性還對當前反常霍爾效應berry相理論機制的研究、深化人們對電子自旋輸運性質(zhì)的認識具有重要的推動作用。因此，實現(xiàn)ε-fe3-xn薄膜外延生長與氮含量的連續(xù)調(diào)控是當前氮化鐵研究與應用中亟待解決的重要課題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在mgo(111)基片上外延生長多種相結(jié)構(gòu)氮化鐵薄膜的方法，解決ε-fe3-xn薄膜外延生長與氮含量的連續(xù)調(diào)控的問題，具有實現(xiàn)了ε-fe3-xn(0≤x<1)薄膜外延生長的突破，并在同種單晶基片上實現(xiàn)α-fe、γ′-fe4n、ζ-fe2n、γ″-fen和γ″′-fen薄膜的外延生長和氮含量的精確調(diào)控的特點，為氮化鐵研究與其在自旋電子器件中的應用奠定了基礎。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種在mgo(111)基片上外延生長多種相結(jié)構(gòu)氮化鐵薄膜的方法，包括如下步驟：

(1)將fe靶固定在濺射腔室內(nèi)強磁靶上；

(2)將單晶mgo(111)基片和玻璃同時固定在基片托上，放入濺射腔室，進行抽真空；

(3)待濺射腔室的真空度到2.0×10^-4pa以下后，對基片托進行加熱直至350℃；

(4)通入ar和n2的混合氣體，其中，ar和n2氣流總量等于50sccm，調(diào)好通入腔室氣體流量后通過調(diào)節(jié)分子泵的旁抽閥來穩(wěn)定濺射腔室內(nèi)的氣壓；

(5)濺射腔室內(nèi)氣壓穩(wěn)定在0.2pa，調(diào)整濺射電流為0.08ma，先預濺射5min，后生長濺射30min；

(6)濺射完畢后停止通氣，原位退火60min，抽真空至自然冷卻至80℃，關閉真空泵，取出樣品，即為此氮流量下相應的相結(jié)構(gòu)的氮化鐵薄膜；

(7)最后以同樣的步驟分別在室溫、200℃、450℃和600℃制備氮化鐵外延薄膜，以獲得氮化鐵外延薄膜的相圖。

進一步地，所述步驟(1)中，fe靶為合肥科晶有限公司的純度為99.99％的fe靶。

進一步地，所述步驟(2)中，單晶mgo(111)尺寸為5×5×0.5mm。

進一步地，所述步驟(4)中，ar和n2純度為99.999％，n2氣流量變化量為1sccm，n2氣流量達到20sccm后，n2氣流量變化量為5sccm。

進一步地，所述步驟(4)中，n2氣流量為0-50sccm，相對應的ar氣流量為50-0sccm。

進一步地，所述步驟(6)中，相應氮流量下，氮化鐵薄膜為α-fe、γ′-fe4n、ε-fe3-xn(0≤x<1)、ζ-fe2n、γ″-fen或γ″′-fen薄膜；實現(xiàn)了ε-fe3-xn(0≤x<1)薄膜的外延生長和氮含量調(diào)控，通過磁性和電子輸運性質(zhì)的系統(tǒng)研究，填補目前ε-fe3-xn磁各向異性和各向異性磁電阻等研究內(nèi)容的空白，揭示ε-fe3-xn的電子輸運性質(zhì)隨相結(jié)構(gòu)、磁性、氮含量和磁有序度的變化規(guī)律。

進一步地，所述步驟(6)中，相應氮流量下，氮化鐵薄膜為α-fe、γ′-fe4n、ε-fe3-xn(0≤x<1)、ζ-fe2n、γ″-fen和γ″′-fen鄰兩個相共存的外延薄膜；基于氮化鐵薄膜異質(zhì)外延生長工藝，制備雙層膜、多層膜、自旋閥和隧道結(jié)，拓展氮化鐵在自旋電子學中的應用空間，設計開發(fā)全氮化物自旋電子器件。

進一步地，所述步驟(7)中，氮化鐵外延薄膜的相圖為不同溫度和氮流量下的氮化鐵外延薄膜的二元相圖。

在玻璃上和mgo基片上相同相的薄膜是在同一條件下同時生長的，用生長在玻璃上的薄膜的xrd圖來判斷所長薄膜屬于哪一個相，在用生長在mgo上的相應相的薄膜的xrd圖來判斷薄膜是否是外延生長。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明一種在mgo(111)基片上外延生長多種相結(jié)構(gòu)氮化鐵薄膜的方法，實現(xiàn)了ε-fe3-xn(0≤x<1)薄膜外延生長的突破，并在同種單晶基片上實現(xiàn)α-fe、γ′-fe4n、ζ-fe2n、γ″-fen和γ″′-fen薄膜的外延生長和氮含量的精確調(diào)控，系統(tǒng)表征氮化鐵的磁性、電阻率、各向異性磁電阻、載流子濃度和電子遷移率隨氮化鐵相結(jié)構(gòu)和氮含量的變化關系，確定內(nèi)稟反?；魻栯妼孰S氮化鐵相結(jié)構(gòu)的變化關系，基于berry相理論，闡明電子能帶結(jié)構(gòu)對反?；魻栃挠绊懸?guī)律，也為為氮化鐵在自旋電子器件中的應用奠定了基礎，拓展氮化鐵在自旋電子學中的應用空間。

附圖說明

圖1是氮化鐵晶體結(jié)構(gòu)圖：(a)α″-fe16n2，(b)γ′-fe4n，(c)ε-fe3-xn(0≤x≤1)(d)ζ-fe2n，(e)γ″-fen和(f)γ″′-fen。

圖2是不同氮氣流量下的氮化鐵外延薄膜的xrd圖譜，(a)為生長在mgo基片上氮化鐵外延薄膜譜圖，(b)為同條件下生長在玻璃上的氮化鐵外延薄膜譜圖。

圖3是不同溫度和氮氣流量下制得的氮化鐵外延薄膜的二元相圖。

圖4是(a)單晶mgo基片上生長的γ′-fe4n和ε-fe3-xn異質(zhì)結(jié)構(gòu)多層膜譜圖；(b)對應的在玻璃上面生長的多層膜薄膜xrd圖譜。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

實施例1

在mgo(111)基片上制備α-fe和γ′-fe4n兩相結(jié)構(gòu)共存的外延薄膜，包括如下步驟：

(1)將合肥科晶有限公司的純度為99.99％的fe靶固定在濺射腔室內(nèi)強磁靶上；

(2)將尺寸為5×5×0.5mm的單晶mgo(111)基片和玻璃同時固定在基片托上，放入濺射腔室，進行抽真空；

(3)待濺射腔室的真空度到1.2×10^-4pa，對基片托進行加熱直至350℃；

(4)通入ar和n2的混合氣體，其中，ar氣流量為49sccm，n2氣流量為1sccm，通過調(diào)節(jié)分子泵的旁抽閥來穩(wěn)定濺射腔室內(nèi)的氣壓；

(5)濺射腔室內(nèi)氣壓穩(wěn)定在0.2pa，調(diào)整濺射電流為0.08ma，預濺射5min，生長濺射30min；

(6)濺射完畢后停止通氣，原位退火60min，抽真空至自然冷卻至80℃，關閉真空泵，取出樣品。

通過以上方法，即制得α-fe和γ′-fe4n兩相結(jié)構(gòu)共存的氮化鐵外延薄膜，其中，當n2氣流量為0sccm時，為α-fe外延薄膜。

實施例2

在mgo(111)基片上制備γ′-fe4n外延薄膜，包括如下步驟：

(1)將合肥科晶有限公司的純度為99.99％的fe靶固定在濺射腔室內(nèi)強磁靶上；

(2)將尺寸為5×5×0.5mm的單晶mgo(111)基片和玻璃同時固定在基片托上，放入濺射腔室，進行抽真空；

(3)待濺射腔室的真空度到1.2×10^-4pa，對基片托進行加熱直至350℃；

(4)通入ar和n2的混合氣體，其中，ar氣流量為46sccm，n2氣流量為4sccm，通過調(diào)節(jié)分子泵的旁抽閥來穩(wěn)定濺射腔室內(nèi)的氣壓；

(5)濺射腔室內(nèi)氣壓穩(wěn)定在0.2pa，調(diào)整濺射電流為0.08ma，預濺射5min，生長濺射30min；

(6)濺射完畢后停止通氣，原位退火60min，抽真空至自然冷卻至80℃，關閉真空泵，取出樣品。

通過以上方法，即制得γ′-fe4n外延薄膜。

實施例3

在mgo(111)基片上制備γ′-fe4n和ε-fe3-xn(0≤x<1)兩相結(jié)構(gòu)共存的外延薄膜，包括如下步驟：

(1)將合肥科晶有限公司的純度為99.99％的fe靶固定在濺射腔室內(nèi)強磁靶上；

(2)將尺寸為5×5×0.5mm的單晶mgo(111)基片和玻璃同時固定在基片托上，放入濺射腔室，進行抽真空；

(3)待濺射腔室的真空度到1.2×10^-4pa，對基片托進行加熱直至350℃；

(4)通入ar和n2的混合氣體，其中，ar氣流量為45sccm，n2氣流量為5sccm，通過調(diào)節(jié)分子泵的旁抽閥來穩(wěn)定濺射腔室內(nèi)的氣壓；

(5)濺射腔室內(nèi)氣壓穩(wěn)定在0.2pa，調(diào)整濺射電流為0.08ma，先預濺射5min，后生長濺射30min；

(6)濺射完畢后停止通氣，原位退火60min，抽真空直自然冷卻至80℃，關閉真空泵，取出樣品。

通過以上方法，即制得γ′-fe4n和ε-fe3-xn(0≤x<1)兩相結(jié)構(gòu)的外延薄膜。

實施例4

在mgo(111)基片上制備ε-fe3-xn(0≤x<1)外延薄膜，包括如下步驟：

(1)將合肥科晶有限公司的純度為99.99％的fe靶固定在濺射腔室內(nèi)強磁靶上；

(2)將尺寸為5×5×0.5mm的單晶mgo(111)基片和玻璃同時固定在基片托上，放入濺射腔室，進行抽真空；

(3)待濺射腔室的真空度到1.2×10^-4pa，對基片托進行加熱直至350℃；

(4)通入ar和n2的混合氣體，其中，ar氣流量為40sccm，n2氣流量為10sccm，通過調(diào)節(jié)分子泵的旁抽閥來穩(wěn)定濺射腔室內(nèi)的氣壓；

(5)濺射腔室內(nèi)氣壓穩(wěn)定在0.2pa，調(diào)整濺射電流為0.08ma，預濺射5min，生長濺射30min；

(6)濺射完畢后停止通氣，原位退火60min，抽真空直自然冷卻至80℃，關閉真空泵，取出樣品。

通過以上方法，即制得ε-fe3-xn(0≤x<1)外延薄膜，其中，當x＝1時，即可以得到ζ-fe2n外延薄膜，這兩個相結(jié)構(gòu)類似，在xrd圖中幾乎不能區(qū)分。

實施例5

在mgo(111)基片上制備γ″-fen外延薄膜，包括如下步驟：

(1)將合肥科晶有限公司的純度為99.99％的fe靶固定在濺射腔室內(nèi)強磁靶上；

(2)將尺寸為5×5×0.5mm的單晶mgo(111)基片和玻璃同時固定在基片托上，放入濺射腔室，進行抽真空；

(3)待濺射腔室的真空度到1.2×10^-4pa，對基片托進行加熱直至350℃；

(4)通入ar和n2的混合氣體，其中，ar氣流量為5sccm，n2氣流量為45sccm，通過調(diào)節(jié)分子泵的旁抽閥來穩(wěn)定濺射腔室內(nèi)的氣壓；

(5)濺射腔室內(nèi)氣壓穩(wěn)定在0.2pa，調(diào)整濺射電流為0.08ma，預濺射5min，生長濺射30min；

(6)濺射完畢后停止通氣，原位退火60min，抽真空直自然冷卻至80℃，關閉真空泵，取出樣品。

實施例6

在mgo(111)基片上制備γ′-fe4n和ε-fe3-xn異質(zhì)結(jié)構(gòu)多層膜，包括如下步驟：

(1)將合肥科晶有限公司的純度為99.99％的fe靶固定在濺射腔室內(nèi)強磁靶上；

(2)將尺寸為5×5×0.5mm的單晶mgo(111)基片和玻璃同時固定在基片托上，放入濺射腔室，進行抽真空；

(3)待濺射腔室的真空度到1.2×10^-4pa，對基片托進行加熱直至350℃；

(4)通入ar和n2的混合氣體，其中，ar氣流量為45sccm，n2氣流量為5sccm，通過調(diào)節(jié)分子泵的旁抽閥來穩(wěn)定濺射腔室內(nèi)的氣壓；

(5)濺射腔室內(nèi)氣壓穩(wěn)定在0.2pa，調(diào)整濺射電流為0.08ma，預濺射5min，生長濺射30min；

(6)濺射完畢后停止通氣，原位退火60min，調(diào)節(jié)氣流量，ar氣流量為35sccm，n2氣流量為15sccm，濺射腔室內(nèi)氣壓穩(wěn)定在0.2pa，調(diào)整濺射電流為0.08ma，預濺射5min，生長濺射30min；

(7)濺射完畢后停止通氣，原位退火60min，抽真空直自然冷卻至80℃，關閉真空泵，取出樣品。

通過上述方法，即得到γ′-fe4n和ε-fe3-xn異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙層膜，即在生長完γ′-fe4n后，不取出樣品，只改變氮氣流量，在第一層膜的上面再生長一層ε-fe3-xn薄膜，相應表征結(jié)果如圖4所示。

實施例7

在mgo(111)基片上制備γ″′-fen外延薄膜，包括如下步驟：

(1)將合肥科晶有限公司的純度為99.99％的fe靶固定在濺射腔室內(nèi)強磁靶上；

(2)將尺寸為5×5×0.5mm的單晶mgo(111)基片和玻璃同時固定在基片托上，放入濺射腔室，進行抽真空；

(3)待濺射腔室的真空度到1.2×10^-4pa，對基片托進行加熱直至200℃；

(4)通入n2，n2氣流量為50sccm，通過調(diào)節(jié)分子泵的旁抽閥來穩(wěn)定濺射腔室內(nèi)的氣壓；

(5)濺射腔室內(nèi)氣壓穩(wěn)定在0.2pa，調(diào)整濺射電流為0.08ma，預濺射5min，生長濺射30min；

(6)濺射完畢后停止通氣，原位退火60min，抽真空直自然冷卻至80℃，關閉真空泵，取出樣品。

通過以上方法，即制得γ″′-fen外延薄膜。

由以上具體實施方式可得，本發(fā)明一種在mgo(111)基片上外延生長多種相結(jié)構(gòu)氮化鐵薄膜的方法，通過改變n2流量的情況下，隨n2流量的增加，會產(chǎn)生不同相的氮化鐵薄膜。實現(xiàn)了α-fe、γ′-fe4n、ε-fe3-xn(0≤x<1)、ζ-fe2n和γ″-fen和γ″′-fen薄膜的外延生長和氮含量的精準調(diào)控，為氮化鐵研究與其在自旋電子器件中的應用奠定了基礎。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書、說明書及其等效物界定。