新型顆粒薄膜磁電阻器件及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種Ni/P3HT顆粒薄膜磁電阻器件及其制備方法。該新型磁電阻器件在制備過程中采用旋涂與離子束沉積相結(jié)合的方法，該方法靈活簡(jiǎn)便，成本低，與現(xiàn)有薄膜工藝兼容性好，獲得的薄膜質(zhì)量較高，制得的磁電阻器件具有較高的室溫磁電阻。
【專利說明】新型顆粒薄膜磁電阻器件及制備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型的Ni/P3HT顆粒薄膜磁電阻器件及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米磁性金屬顆粒薄膜是一種由納米尺度的磁性金屬顆粒,隨機(jī)地分布于絕緣母體材料中構(gòu)成的人工結(jié)構(gòu)納米功能材料，材料通常由磁性金屬顆粒和絕緣體母體兩部分組成，具有不同于磁性金屬或絕緣體母體的物理性能，如巨霍爾效應(yīng)、高矯頑力、高頻軟磁性、磁電阻效應(yīng)等新穎的物理性質(zhì)。其中，納米磁性金屬顆粒薄膜的磁電阻效應(yīng)由于具有高磁場(chǎng)靈敏度而被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)讀出磁頭、磁敏傳感器件等眾多領(lǐng)域中，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
[0003]目前絕大多數(shù)磁性金屬顆粒薄膜是以無機(jī)半導(dǎo)體或絕緣體作為母體材料，已被廣泛地研，金屬納米顆粒包括鐵、鈷、鎳、坡莫合金、四氧化三鐵等，絕緣體(或無機(jī)半導(dǎo)體)母體包括二氧化硅、氧化鋁、二氧化鈦、鍺等，而對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體材料作為母體的顆粒薄膜磁電阻器件的研究很少。
[0004]與無機(jī)母體材料相比，有機(jī)半導(dǎo)體母體材料具有很多明顯的優(yōu)勢(shì):有機(jī)半導(dǎo)體材料主要由原子序數(shù)較小的C、H、O、N等元素組成，軌道-自旋耦合強(qiáng)度較低，內(nèi)部超精細(xì)相互作用較弱，使得其自旋弛豫時(shí)間和弛豫距離比無機(jī)半導(dǎo)體高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，是理想的半導(dǎo)體自旋傳輸介質(zhì)，非常適合應(yīng)用于磁性金屬顆粒薄膜中。此外，以有機(jī)半導(dǎo)體材料為母體的電子器件還具有功耗低、重量輕、性能可調(diào)、可制作大面積柔性器件、可循環(huán)使用等很多優(yōu)勢(shì)，具有十分巨大的應(yīng)用價(jià)值。但是，由于金屬-有機(jī)半導(dǎo)體顆粒薄膜制備較困難，現(xiàn)有的制備多采用共蒸發(fā)的方法，而且研究的體系多以Co作為金屬納米材料，如:X.M.Zhao等人提供了一種Co/Alq3顆粒薄膜，研究了其磁電阻效應(yīng)，在室溫下得到-0.23%的負(fù)磁電阻(Journal of Magnetism and Mangetic Materials321,418-422, 2009) ；P.Sheng等人米用熱蒸發(fā)的方法制備了一種Co/TH)顆粒薄膜,室溫磁電阻為-0.3% (Journal of Alloys andCompounds, 477, 32-35, 2009) ；S.Tanabe等人也制備了一種Co-Alq3顆粒薄膜,室溫磁電阻為-0.1% (AppliedPhysics Letters91,063123, 2007) ;T.Wen 等人制備了 Co/P3HT 顆粒薄膜，該薄膜沒有出現(xiàn)室溫磁電阻(AppliedPhysics Letters95,082509, 2009)?，F(xiàn)有的研究成果表明有機(jī)顆粒薄膜的室溫磁電阻較低，且研究體系十分有限，亟需擴(kuò)大有機(jī)顆粒膜磁電阻器件的材料范圍并獲得更高的室溫磁電阻。
[0005]本發(fā)明提供一種新型的Ni/P3HT顆粒薄膜，該顆粒薄膜以納米Ni這種常見的鐵磁材料作為顆粒薄膜中的金屬顆粒，以聚三己基噻吩(P3HT)這種常見的有機(jī)半導(dǎo)體作為顆粒薄膜的母體，采用旋涂與離子束沉積結(jié)合的方法制備成新型的金屬/有機(jī)半導(dǎo)體顆粒薄膜，并在低磁場(chǎng)下獲得了 -0.46%的室溫磁電阻。該制備方法避免了高溫加熱，減少了對(duì)材料結(jié)構(gòu)的破壞，并可以方便地?cái)U(kuò)展到其它體系中，有望獲得更高的室溫磁電阻。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明提供一種新型的Ni/P3HT顆粒薄膜磁電阻器件，該器件在有機(jī)半導(dǎo)體P3HT薄膜上，通過離子束沉積的方法嵌入Ni的納米顆粒，形成一種顆粒薄膜結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的Co基有機(jī)半導(dǎo)體顆粒薄膜相比，制備方法更加靈活，擴(kuò)展性更強(qiáng)，室溫磁電阻更高，該新型的Ν?/Ρ3ΗΤ顆粒薄膜磁電阻器件室溫磁電阻可達(dá)到-0.46%以上。
[0007]本發(fā)明提供一種新型的Ni/P3HT顆粒薄膜磁電阻器件，其特征在于制備過程將旋涂與離子束沉積技術(shù)相結(jié)合。所述的合成方法具體步驟如下:
[0008]I)將有機(jī)半導(dǎo)體P3HT溶于三氯甲烷有機(jī)溶劑中，濃度為10mg/ml，在常溫下避光攪拌24小時(shí)，使P3HT充分溶解均勻；
[0009]2)將步驟I)的混合溶液滴在清潔的玻璃襯底上，打開旋涂?jī)x進(jìn)行旋涂，旋涂?jī)x轉(zhuǎn)速為1000-4000rpm，旋涂時(shí)間為20_60s ；
[0010]3)將步驟2)的得到的覆蓋有P3HT的玻璃片放入真空干燥箱，在80°C的溫度下真空干燥10小時(shí)，得到P3HT薄膜；
[0011]4)將步驟3)得到的P3HT薄膜作為襯底安裝在離子束沉積系統(tǒng)的基片轉(zhuǎn)臺(tái)上，抽真空，當(dāng)真空室壓強(qiáng)低于6.67 X IO-4Pa后開始沉積鎳薄膜，得到最終的Ni/P3HT磁電阻器件； [0012]5)步驟4)所述的離子束沉積過程中，靶材選用99.99%的鎳靶，襯底溫度保持常溫，襯底以20rpm的速率自轉(zhuǎn)；
[0013]6)步驟4)所述的離子束沉積過程中，應(yīng)向真空室通入99.999%的高純Ar氣，真空室的Ar氣壓強(qiáng)為1.4X 10_2Pa，Ar氣流量為3sCCm，濺射束流為20mA，濺射能量為1000eV,濺射時(shí)間為20分鐘。
[0014]本發(fā)明提供的新型Ni/P3HT顆粒薄膜磁電阻器件的制備方法，其特征在于該方法制備Ni/P3HT薄膜的過程中，步驟2)所述的旋涂?jī)x轉(zhuǎn)速優(yōu)選2000rpm，旋涂時(shí)間優(yōu)選30s。
[0015]本發(fā)明提供了一種新型的Ni/P3HT顆粒薄膜磁電阻器件及其制備方法，在器件的制備過程中采用旋涂與離子束沉積技術(shù)相結(jié)合的兩步方法。其中，第一步旋涂工藝十分簡(jiǎn)便，不需要高溫，可以方便地獲得所需厚度的均勻的有機(jī)薄膜；第二步離子束沉積磁性金屬顆粒，巧妙利用有機(jī)分子較大、薄膜疏松的特點(diǎn)，利用原子團(tuán)本身的動(dòng)能和熱運(yùn)動(dòng)能量將磁性金屬顆粒嵌入到有機(jī)層中去，在特定的沉積條件下，形成顆粒薄膜。這種方法靈活簡(jiǎn)便，不需要加熱，與現(xiàn)有薄膜工藝兼容性好，且獲得的薄膜質(zhì)量較高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是測(cè)量得到的Ni/P3HT顆粒薄膜的室溫磁電阻曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面將通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0018]實(shí)施例1
[0019]將50mg有機(jī)半導(dǎo)體P3HT溶于5ml三氯甲烷有機(jī)溶劑中，在常溫下避光攪拌24小時(shí)，使P3HT充分溶解均勻；將混合溶液滴在清潔的玻璃襯底上，打開旋涂?jī)x進(jìn)行旋涂，旋涂?jī)x轉(zhuǎn)速設(shè)為2000rpm，旋涂時(shí)間為30s，得到覆蓋有P3HT的玻璃片；將玻璃片放入真空干燥箱，在80°C的溫度下真空干燥10小時(shí)，得到P3HT薄膜；使用中國(guó)科學(xué)院沈陽科儀中心生產(chǎn)的FJL560C雙室超高真空磁控與離子束鍍膜裝置進(jìn)行鎳薄膜的制備:將制備好的P3HT薄膜基片安裝在離子束沉積系統(tǒng)的基片轉(zhuǎn)臺(tái)上，抽真空，當(dāng)真空室壓強(qiáng)低于6.67X10_4Pa后開始沉積鎳薄膜。沉積過程選用純度為99.99%的鎳作為濺射靶材，襯底溫度保持常溫并以20rpm的速率自轉(zhuǎn)；沉積過程中向真空室通入99.999%的高純Ar氣，真空室的Ar氣壓強(qiáng)為1.4X 10_2Pa，Ar氣流量為3sCCm，濺射束流為20mA，濺射能量為IOOOeV,濺射時(shí)間為20分鐘。沉積完成后，關(guān)閉分子泵和機(jī)械泵，打開真空室，取出樣品，得到最終的Ni/P3HT磁電阻器件。
[0020]采用Quantum Design公司的物理性質(zhì)測(cè)試系統(tǒng)(PPMS-9)測(cè)量了所得顆粒薄膜的室溫磁電阻曲線，測(cè)量結(jié)果如說明書附圖1所示。從圖中可以看出，該有機(jī)顆粒薄膜磁電阻器件在SkOe磁場(chǎng)下的室溫磁電阻達(dá)到-0.46%。這里磁電阻定義為MR= (R0-Rh)/RqX 100%，其中Rtl表不在零磁場(chǎng)下的電阻，Rh表不在磁場(chǎng)下的電阻。
[0021]實(shí)施例2
[0022]將50mg有機(jī)半導(dǎo)體P3HT溶于5ml三氯甲烷有機(jī)溶劑中，在常溫下避光攪拌24小時(shí)，使P3HT充分溶解均勻；將混合溶液滴在清潔的玻璃襯底上，打開旋涂?jī)x進(jìn)行旋涂，旋涂?jī)x轉(zhuǎn)速設(shè)為4000rpm，旋涂時(shí)間為30s，得到覆蓋有P3HT的玻璃片；將玻璃片放入真空干燥箱，在80°C的溫度下真空干燥10小時(shí)，得到P3HT薄膜；使用中國(guó)科學(xué)院沈陽科儀中心生產(chǎn)的FJL560C雙室超高真空磁控與離子束鍍膜裝置進(jìn)行鎳薄膜的制備:將制備好的P3HT薄膜基片安裝在離子束沉積系統(tǒng)的基片轉(zhuǎn)臺(tái)上，抽真空，當(dāng)真空室壓強(qiáng)低于6.67X10_4Pa后開始沉積鎳薄膜。沉積過程選用純度為99.99%的鎳作為濺射靶材，襯底溫度保持常溫并以20rpm的速率自轉(zhuǎn)；沉積過程中向真空室通入99.999%的高純Ar氣，真空室的Ar氣壓強(qiáng)為
1.4X 10_2Pa，Ar氣流量為3sCCm，濺射束流為20mA，濺射能量為IOOOeV,濺射時(shí)間為20分鐘。沉積完成后，關(guān)閉分子泵和機(jī)械泵，打開真空室，取出樣品，得到最終的Ni/P3HT磁電阻器件。
[0023]采用Dektak3表面形貌儀測(cè)量得到薄膜厚度約為60納米。
【權(quán)利要求】
1.一種新型的Ni/P3HT顆粒薄膜磁電阻器件，其特征在于在有機(jī)半導(dǎo)體P3HT薄膜上，通過離子束沉積的方法嵌入Ni的納米顆粒，形成一種顆粒薄膜結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的Ni/P3HT顆粒薄膜磁電阻器件的制備方法，其特征在于制備過程將旋涂與離子束沉積技術(shù)相結(jié)合，具體步驟如下: 1)將有機(jī)半導(dǎo)體P3HT溶于三氯甲烷有機(jī)溶劑中，濃度為10mg/ml，在常溫下避光攪拌24小時(shí)，使P3HT充分溶解均勻； 2)將步驟I)的混合溶液滴在清潔的玻璃襯底上，打開旋涂?jī)x進(jìn)行旋涂，旋涂?jī)x轉(zhuǎn)速為1000-4000rpm，旋涂時(shí)間為 20_60s ； 3)將步驟2)的得到的覆蓋有P3HT的玻璃片放入真空干燥箱，在80°C的溫度下真空干燥10小時(shí)，得到P3HT薄膜； 4)將步驟3)得到的P3HT薄膜作為襯底安裝在離子束沉積系統(tǒng)的基片轉(zhuǎn)臺(tái)上，抽真空，當(dāng)真空室壓強(qiáng)低于6.67 X IO-4Pa后開始沉積鎳薄膜，得到最終的Ni/P3HT磁電阻器件； 5)步驟4)所述的離子束沉積過程中，靶材選用99.99%的鎳靶，襯底溫度保持常溫，襯底以20rpm的速率自轉(zhuǎn)； 6)步驟4)所述的離子束沉積過程中，應(yīng)向真空室通入99.999%的高純Ar氣，真空室的Ar氣壓強(qiáng)為1.4X 10_2Pa，Ar氣流量為3sCCm，濺射束流為20mA，濺射能量為IOOOeV,濺射時(shí)間為20分鐘。
3.如權(quán)利要求2所述的制備Ni/P3HT顆粒薄膜磁電阻器件的方法，其特征在于所述的旋涂?jī)x轉(zhuǎn)速優(yōu)選2000rpm，旋涂時(shí)間優(yōu)選30s。
【文檔編號(hào)】H01L43/12GK104009153SQ201410242631
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】程雅慧, 賀婕, 劉暉, 劉孟寅 申請(qǐng)人:南開大學(xué)