一種拓?fù)浣^緣體/鐵磁體異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于拓?fù)浣^緣體材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其屬于拓?fù)浣^緣體Bi2SeJ^膜的制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]拓?fù)浣^緣體Bi2Se3在塊材內(nèi)部是有能隙的絕緣態(tài)，而其表面卻存在無(wú)能隙的金屬態(tài)。這種奇特的表面態(tài)是由于強(qiáng)自旋耦合，受時(shí)間反演對(duì)稱保護(hù)，因此不易受到體系中的缺陷、非磁性雜質(zhì)等外界環(huán)境的影響。這些特點(diǎn)使其在未來(lái)低能耗的自旋電子器件及量子計(jì)算機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，要充分利用拓?fù)浣^緣結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其在低能耗的自旋電子器等領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用，先決條件是在拓?fù)浣^緣體中保持拓?fù)湫虻耐瑫r(shí)引入鐵磁序。在不破壞表面態(tài)及不產(chǎn)生團(tuán)簇和第二相的基礎(chǔ)上，在拓?fù)浣^緣體Bi2Se3表面上引入磁性結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)近鄰效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其主要手段是制備拓?fù)浣^緣體和鐵磁體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0003]探索異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可重復(fù)的優(yōu)良制備方法，可為未來(lái)器件應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。目前，大量的薄膜研究都是基于分子束外延(MBE)技術(shù)在真空環(huán)境中通過(guò)把熱蒸發(fā)產(chǎn)生的原子或分子束投射到具有一定取向、一定溫度的清潔襯底上而生成薄膜材料，但MBE技術(shù)由于要得到氣體雜質(zhì)污染少、純度高的外延膜而需要極限真空條件，需要高精密的真空栗，設(shè)備昂貴、能量消耗大、成本高。因此，開(kāi)發(fā)低成本的方法以制備性能優(yōu)良的拓?fù)浣^緣體與鐵磁體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種拓?fù)浣^緣體/鐵磁體異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法。該方法能夠在基底上外延生長(zhǎng)出性能良好的Bi2Se3Aaa7Sra3MnO3薄膜，且制備方法簡(jiǎn)單，成本低。
[0005]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是:一種拓?fù)浣^緣體/鐵磁體異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其步驟是:
[0006]a、制備Laa7Sra3MnO3薄膜:將硝酸鑭，硝酸鍶和硝酸錳按鑭、鍶、錳離子數(shù)量比為7:3:10的配比，溶解在N，N-二甲基甲酰胺中，形成Laa7Sra3MnO3溶液；在Laa7SrQ.3Mn03溶液中加入質(zhì)量為所述1^。.決。.鄭03溶液質(zhì)量的3% -7%的聚乙烯吡咯烷酮K30，形成膠體；再將膠體旋涂在基底上，置于紅外干燥箱中干燥；將干燥后的基底片置于管式爐中，依次在160-220°C 下保溫 8-12min，緩慢加熱至 500-540°C保溫 18_22min，830-870°C 下保溫 l_2h，退火處理，即得La。.7Sra 3Μη03薄膜；
[0007]b、沉積Bi2Se3薄膜:將a步中制得的Laa7Sra3MnO3薄膜放入磁控派射儀，在磁控派射儀的派射IE上安裝Bi2Se3IE!材，通過(guò)磁控派射方法在La α 7Sr。.3Μη03薄膜上沉積Bi #63薄膜，得至Ij Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜；
[0008]C、后退火處理:將b步所得的扮2363/1^。.731'。.3]/[1103異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜和0.01-0.05g粒徑為1-1.5_的砸粒一起封入氣壓小于IX 10 2Pa的真空石英管中，置于管式爐中進(jìn)行后退火處理。
[0009]本發(fā)明的原理是:a步通過(guò)化學(xué)法制備Laa7Sra3MnO3薄膜，加入聚乙稀卩比略燒酮K30可控制反應(yīng)速度，防止反應(yīng)過(guò)快形成沉淀，再進(jìn)行干燥退火得到致密均勻的薄膜；b步通過(guò)磁控派射在Laa7Sra3MnO3薄膜上派射一層Bi 2Se3薄膜，在選用的沉積條件下可以制得表面平整、致密、無(wú)孔洞的薄膜；c步的后退火處理可以使原子重新排列得到結(jié)晶性能良好的薄膜，后退火處理時(shí)加入砸粒是為了在富砸環(huán)境下生長(zhǎng)來(lái)減少砸空位。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0011]—、本發(fā)明在鈣鈦礦錳氧化合物(Laa7Sra3MnO3簡(jiǎn)稱LSM0)薄膜上濺射拓?fù)浣^緣體Bi2Se3薄膜，形成雙層膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在保持拓?fù)浣^緣體Bi2Se3拓?fù)湫虻耐瑫r(shí)引入鐵磁序Laa7Sra3MnO3,為實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體Bi2Se^低能耗的自旋電子器等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
[0012]二、本發(fā)明采用的磁控濺射技術(shù)，在濺射過(guò)程中，入射到襯底表面的原子具有較高的能量，這提高了沉積時(shí)原子的擴(kuò)散能力，薄膜與基底之間的附著性良好，薄膜平整致密，無(wú)孔洞。
[0013]三、本發(fā)明的制備過(guò)程所要求的真空度僅為10 4Pa數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MBE所要求的18Pa,對(duì)設(shè)備的要求大大降低，大幅減少了能量的消耗和制備成本。
[0014]本發(fā)明所述a步中退火處理是指直接隨爐冷卻，這樣的退火處理方式可以得到比較均勻致密的薄膜。
[0015]本發(fā)明所述a步中旋涂膠體制備Laa7Sra3MnO3薄膜的基底為招酸鑭LaAlO 3單晶基底。
[0016]Laa7Sra3MnOjP LaAlO 3的晶格匹配較好，La a7SrQ.3Mn03可以在 LaAlO 3上單一取向生長(zhǎng)，而不是無(wú)規(guī)則的取向，這使得薄膜的表面形貌更好。
[0017]本發(fā)明所述b步中通過(guò)磁控派射方法在Laa7Sra3MnO3薄膜上沉積Bi 2Se3薄膜的沉積條件為:距離6-lOcm，射頻功率5-8W/cm2，濺射時(shí)間60_600s，工作氣體為純度為99.995%的氬氣，工作氣壓0.4-0.6Pa，基底溫度280-320 °C。
[0018]上述沉積條件下可以制得表面平整、致密、無(wú)洞的薄膜。
[0019]本發(fā)明所述c步中后退火處理的具體操作是:以3°C /min升至280°C _320°C，保溫l_3h，然后爐冷(隨爐冷卻)，即得。
[0020]由于濺射所得到的薄膜是非晶的，通過(guò)上述條件的后退火處理可以使原子重新排列得到結(jié)晶良好的薄膜。
[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03薄膜的X射線衍射圖譜。
[0023]圖2是本發(fā)明實(shí)施例一的Bi2Se3Aaa7SrQ.3Mn03薄膜的5000倍掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
[0024]圖3是本發(fā)明實(shí)施例二的Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03薄膜的X射線衍射圖譜。
[0025]圖4是本發(fā)明實(shí)施例二的Bi2Se3Aaa7SrQ.3Mn03薄膜的5000倍掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
[0026]圖5是本發(fā)明實(shí)施例三的Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03薄膜的X射線衍射圖譜。
[0027]圖6是本發(fā)明實(shí)施例三的Bi2Se3Aaa7SrQ.3Mn03薄膜的5000倍掃描電子顯微鏡(SEM)斷面照片。
[0028]圖1，3，5的縱坐標(biāo)為衍射強(qiáng)度(Intensity)、任意單位(a.u.);橫坐標(biāo)為衍射角2 Θ，單位為度(deg) ο
【具體實(shí)施方式】
[0029]實(shí)施例一
[0030]—種拓?fù)浣^緣體/鐵磁體異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其步驟是:
[0031]a、制備Laa7Sra3MnO3薄膜:將硝酸鑭，硝酸鍶和硝酸錳按鑭、鍶、錳離子數(shù)量比為7:3:10的配比，溶解在N，N- 二甲基甲酰胺中，形成1^。.決。.鄭03溶液；在Lall7Sra3MnO3溶液中加入質(zhì)量為所述1^。.決。.鄭03溶液質(zhì)量的3%的聚乙烯吡咯烷酮K30，形成膠體；再將膠體旋涂在鋁酸鑭LaAlO3單晶基底上，置于紅外干燥箱中干燥；將干燥后的基底片置于管式爐中，依次在200°C下保溫8min，緩慢加熱至520°C保溫18min，然后850°C下保溫lh，退火處理，即得La。.7Sra 3Μη03薄膜；
[0032]b、沉積Bi2Se3薄膜:將a步中制得的Laa7Sra3MnO3薄膜放入磁控派射儀，在磁控派射儀的派射IE上安裝Bi2Se3IE!材，通過(guò)磁控派射方法在La α 7Sr。.3Μη03薄膜上沉積Bi #63薄膜，得至Ij Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜；
[0033]C、后退火處理:將b步所得的Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜和0.03g的砸粒一起封入氣壓小于1X10 2Pa的真空石英管中，置于管式爐中進(jìn)行后退火處理。
[0034]本例中所述a步中退火處理是指直接隨爐冷卻。
[0035]本例中所述b步中通過(guò)磁控派射方法在Laa7Sra3MnO3薄膜上沉積Bi 2Se3薄膜的沉積條件為:距離6cm，射頻功率5W/cm2，濺射時(shí)間為60s，工作氣體為純度為99.995%的氬氣，工作氣壓0.4Pa，基底溫度300 °C。
[0036]本例中所述c步中后退火處理的具體操作是:以3°C /min升至280°C，保溫3h，然后爐冷，即得。
[0037]圖1是本實(shí)施例的Bi2Se3薄膜的X射線衍射圖譜。從圖中可以看出所有特征峰均為(OOL)衍射峰，并且無(wú)其他雜峰，表明在Si (100)單晶基底上生長(zhǎng)的Bi2Se3具有很強(qiáng)的C軸取向。
[0038]圖2是本實(shí)施例的Bi2Se3薄膜的50000倍掃描電子顯微鏡(SEM)照片。由該圖可知:薄膜樣品表面平整、致密、無(wú)洞。由此可知此實(shí)施例制備出了織構(gòu)良好，具有典型層狀結(jié)構(gòu)，表面致密平整的Bi2Se3薄膜。
[0039]實(shí)施例二
[0040]—種拓?fù)浣^緣體/鐵磁體異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其步驟是:
[0041]a、制備Laa7Sra3MnO3薄膜:將硝酸鑭，硝酸鍶和硝酸錳按鑭、鍶、錳離子數(shù)量比為7:3:10的配比，溶解在N，N-二甲基甲酰胺中，形成Laa7Sra3MnO3溶液；在Laa7SrQ.3Mn03溶液中加入質(zhì)量為所述1^。.決。.鄭03溶液質(zhì)量的5%的聚乙烯吡咯烷酮K30，形成膠體；再將膠體旋涂在鋁酸鑭LaAlO3單晶基底上，置于紅外干燥箱中干燥；將干燥后的基底片置于管式爐中，依次在200°C下保溫8min，緩慢加熱至520°C保溫18min，830°C下保溫lh，退火處理，即得La。.7Sra3Μη03薄膜；
[0042]b、沉積Bi2Se3薄膜:將a步中制得的Laa7Sra3MnO3薄膜放入磁控派射儀，在磁控派射儀的派射IE上安裝Bi2Se3IE!材，通過(guò)磁控派射方法在La α 7Sr。.3Μη03薄膜上沉積Bi #63薄膜，得至Ij Bi2Se3/LaQ.7SrQ.3Mn03異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜；
[0043]C、后退火處理:將b步所得的13;[2363/]^1。.731'。.3]/[1103異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜和0.02g的砸粒一起封入氣壓小于1X10 2Pa的真空石英管中，置于管式爐