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[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

專利信息
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
地址: 300072 天*** 國(guó)省代碼: 天津;12
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摘要:
搜索關(guān)鍵詞: 一種 具有 磁電 效應(yīng) gdn 薄膜 制備 方法
【說明書】:

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)7μB/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;

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