[發明專利]一種具有大磁電阻效應的GdN薄膜及制備方法

有效

• 申請號: 201310041075.X
• 申請日: 2013-02-01
• 公開（公告）號: CN103088293A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 米文博;段秀峰;白海力
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/35;C23C14/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王麗

技術領域

本發明涉及自旋電子學領域，特別是一種具有大磁電阻效應的GdN（氮化釓）薄膜及制備方法。

背景技術

近年來，由于在磁信息存儲和讀取方面的巨大應用前景，自旋電子學材料備受關注。2007年，諾貝爾物理學獎授予了自旋電子學的開創者Albert?Fert和Peter?Grünberg兩位教授。磁電阻效應，如巨磁電阻效應(GMR)、隧道型磁電阻效應(TMR)等，均與材料的自旋極化率相關。從應用角度出發，如何獲取高磁電阻效應仍然是自旋電子學領域的熱點問題之一。

半金屬鐵磁體，在費米面附近具有100%的自旋極化，成為自旋電子學器件的候選材料。通常的半金屬鐵磁體是過渡族金屬氧化物，如CrO₂、Fe₃O₄等?？紤]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心的問題。稀土氮化物中，面心立方結構的GdN具有半填充的4f殼層，磁矩高達7μ_B/Gd³⁺，居里溫度在60-70K之間。能帶結構計算表明GdN在居里溫度以下具有半金屬特性。

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

發明內容

從工業化生產角度看，需要使用濺射法來制備薄膜樣品；從實際應用角度看，需要制備的樣品具有較高的磁電阻效應。本發明即從以上兩個目的出發，開發了反應磁控濺射法制備多晶GdN薄膜，該多晶薄膜生長在MgO(100)基底上，利用晶格的相關性來降低晶粒邊界密度，該薄膜的X射線衍射結果如圖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構的GdN的(111)和(200)晶面，其它衍射峰來自于MgO基底材料。本發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的多晶薄膜中的晶粒邊界要多，這主要表現在本發明專利所制備的薄膜的電阻率低于非晶玻璃上生長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道GdN薄膜的磁電阻高兩倍。本發明專利中的多晶GdN薄膜在5K溫度和50kOe磁場下，磁電阻高達-86%，具體結果見圖2。本發明專利中的多晶GdN薄膜的磁電阻隨溫度的變化關系如圖3所示。從圖3中可以看出，在50kOe的磁場下，隨著測量溫度的增加，磁電阻先從5K的-86%開始降低，在10K溫度下達到最低值-64%；隨著溫度的繼續升高，磁電阻增加，在39K溫度下達到最大值-80%；當溫度繼續升高時，磁電阻降低，在75K溫度下達到-26%。

本發明的具體技術方案如下：

一種具有大磁電阻效應的多晶GdN薄膜；其特征是薄膜結構為以Ag作為電極和AlN作為保護層的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，中間測量電壓的兩點之間距離為2mm；該薄膜在5K溫度和50kOe磁場下，磁電阻為-86%。

本發明的具有大磁電阻效應的多晶GdN薄膜的制備方法，其特征是步驟如下：

1）采用中科院沈陽科學儀器研制中心生產的DPS-III型超高真空多對靶磁控濺射鍍膜機，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，分別安裝在三對靶頭上，每對靶由兩個靶組成，這兩個靶面對面地放置，其中一個作為磁力線的N極，另一個為S極；每對靶的兩個面對面放置的兩個靶面之間的軸線相互平行，每對靶中的兩個靶面之間的距離為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，關閉真空室；

3）開啟DPS-III超高真空多對靶磁控濺射鍍膜機真空系統，先后啟動一級機械泵和二級分子泵抽真空，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；