[發(fā)明專利]一種具有大磁電阻效應(yīng)的GdN薄膜及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310041075.X
• 申請(qǐng)日: 2013-02-01
• 公開（公告）號(hào): CN103088293A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 米文博;段秀峰;白海力
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/06
• 分類號(hào): C23C14/06;C23C14/35;C23C14/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 王麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自旋電子學(xué)領(lǐng)域，特別是一種具有大磁電阻效應(yīng)的GdN（氮化釓）薄膜及制備方法。

背景技術(shù)

近年來，由于在磁信息存儲(chǔ)和讀取方面的巨大應(yīng)用前景，自旋電子學(xué)材料備受關(guān)注。2007年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了自旋電子學(xué)的開創(chuàng)者Albert?Fert和Peter?Grünberg兩位教授。磁電阻效應(yīng)，如巨磁電阻效應(yīng)(GMR)、隧道型磁電阻效應(yīng)(TMR)等，均與材料的自旋極化率相關(guān)。從應(yīng)用角度出發(fā)，如何獲取高磁電阻效應(yīng)仍然是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。

半金屬鐵磁體，在費(fèi)米面附近具有100%的自旋極化，成為自旋電子學(xué)器件的候選材料。通常的半金屬鐵磁體是過渡族金屬氧化物，如CrO₂、Fe₃O₄等。考慮到稀土氮化物具有較大磁矩，在納米尺寸上仍然保持很好的磁性，能否在稀土氮化物中尋找到半金屬鐵磁體成為科研人員關(guān)心的問題。稀土氮化物中，面心立方結(jié)構(gòu)的GdN具有半填充的4f殼層，磁矩高達(dá)7μ_B/Gd³⁺，居里溫度在60-70K之間。能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算表明GdN在居里溫度以下具有半金屬特性。

目前，國(guó)際上很少研究GdN薄膜的制備及其磁電阻效應(yīng)，測(cè)得的磁電阻最高不到40%[JOURNAL?OF?APPLIED?PHYSICS106,063910(2009);PHYSICAL?REVIEW?B72,014427(2005)]。另外，實(shí)際應(yīng)用中多以薄膜材料為主，制備方法多采用濺射法。

發(fā)明內(nèi)容

從工業(yè)化生產(chǎn)角度看，需要使用濺射法來制備薄膜樣品；從實(shí)際應(yīng)用角度看，需要制備的樣品具有較高的磁電阻效應(yīng)。本發(fā)明即從以上兩個(gè)目的出發(fā)，開發(fā)了反應(yīng)磁控濺射法制備多晶GdN薄膜，該多晶薄膜生長(zhǎng)在MgO(100)基底上，利用晶格的相關(guān)性來降低晶粒邊界密度，該薄膜的X射線衍射結(jié)果如圖1所示。在圖1中，位于30.3°和35.4°的衍射峰分別來自于面心立方結(jié)構(gòu)的GdN的(111)和(200)晶面，其它衍射峰來自于MgO基底材料。本發(fā)明專利制備的多晶薄膜中晶粒邊界密度比外延薄膜要多,但是比在非晶玻璃基底上生長(zhǎng)的多晶薄膜中的晶粒邊界要多，這主要表現(xiàn)在本發(fā)明專利所制備的薄膜的電阻率低于非晶玻璃上生長(zhǎng)的多晶薄膜的電阻率，但高于外延薄膜的電阻率。因此該多晶GdN薄膜的磁電阻比目前報(bào)道GdN薄膜的磁電阻高兩倍。本發(fā)明專利中的多晶GdN薄膜在5K溫度和50kOe磁場(chǎng)下，磁電阻高達(dá)-86%，具體結(jié)果見圖2。本發(fā)明專利中的多晶GdN薄膜的磁電阻隨溫度的變化關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出，在50kOe的磁場(chǎng)下，隨著測(cè)量溫度的增加，磁電阻先從5K的-86%開始降低，在10K溫度下達(dá)到最低值-64%；隨著溫度的繼續(xù)升高，磁電阻增加，在39K溫度下達(dá)到最大值-80%；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，磁電阻降低，在75K溫度下達(dá)到-26%。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種具有大磁電阻效應(yīng)的多晶GdN薄膜；其特征是薄膜結(jié)構(gòu)為以Ag作為電極和AlN作為保護(hù)層的GdN薄膜。

所述的Ag電極圖案為1mm×1mm的正方形；GdN圖案的線寬0.5mm，中間測(cè)量電壓的兩點(diǎn)之間距離為2mm；該薄膜在5K溫度和50kOe磁場(chǎng)下，磁電阻為-86%。

本發(fā)明的具有大磁電阻效應(yīng)的多晶GdN薄膜的制備方法，其特征是步驟如下：

1）采用中科院沈陽(yáng)科學(xué)儀器研制中心生產(chǎn)的DPS-III型超高真空多對(duì)靶磁控濺射鍍膜機(jī)，基底材料為拋光的、覆蓋掩膜模板的MgO(100)單晶片；使用純度為99.99%的Gd靶、純度為99.99%的Al靶、純度為99.99%的Ag靶，分別安裝在三對(duì)靶頭上，每對(duì)靶由兩個(gè)靶組成，這兩個(gè)靶面對(duì)面地放置，其中一個(gè)作為磁力線的N極，另一個(gè)為S極；每對(duì)靶的兩個(gè)面對(duì)面放置的兩個(gè)靶面之間的軸線相互平行，每對(duì)靶中的兩個(gè)靶面之間的距離為80mm，靶的軸線與放有MgO基底材料的基片架之間的距離為80mm；

2）首先，帶有鍍Ag電極所用的掩膜模板的MgO(100)單晶片放到基片架上，并放到擋板后面，關(guān)閉真空室；

3）開啟DPS-III超高真空多對(duì)靶磁控濺射鍍膜機(jī)真空系統(tǒng)，先后啟動(dòng)一級(jí)機(jī)械泵和二級(jí)分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度高于1×10^-5Pa；

4）向真空室通入純度為99.999%的Ar氣，將真空度保持在3Pa，其中Ar氣的流量為100sccm；