[發(fā)明專利]一種在MgO(111)基片上外延生長(zhǎng)多種相結(jié)構(gòu)氮化鐵薄膜的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710266913.1
• 申請(qǐng)日: 2017-04-21
• 公開（公告）號(hào): CN106929812B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李國(guó)科;元利勇;劉迪迪;侯登錄;馬麗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 石家莊鐵道大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/35
• 分類號(hào): C23C14/35;C23C14/58;C23C14/06
• 代理公司: 石家莊國(guó)為知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所 13120
• 代理人: 王麗巧

本發(fā)明公開了一種在MgO(111)基片上外延生長(zhǎng)多種相結(jié)構(gòu)氮化鐵薄膜的方法，涉及薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，包括如下步驟：將Fe靶固定在濺射腔室內(nèi)強(qiáng)磁靶上；將單晶MgO基片和玻璃同時(shí)固定在基片托上，放入濺射腔室，進(jìn)行抽真空；待濺射腔室的真空度到2.0×10^?4Pa以下后，對(duì)基片托進(jìn)行加熱；通入Ar和N₂的混合氣體，調(diào)好通入腔室氣體流量后通過調(diào)節(jié)分子泵的旁抽閥來穩(wěn)定濺射腔室內(nèi)的氣壓；濺射腔室內(nèi)氣壓穩(wěn)定在0.2Pa，調(diào)整濺射電流為0.08mA，預(yù)濺射5min，濺射30min；濺射完畢后停止通氣并原位退火60min，抽真空至自然冷卻至80℃，關(guān)閉真空泵，即得氮化鐵外延薄膜，實(shí)現(xiàn)了α?Fe(N)、γ′?Fe₄N、ε?Fe_3?xN(0≤x<1)、ζ?Fe₂N、γ″?FeN和γ″′?FeN薄膜的外延生長(zhǎng)和氮含量的精準(zhǔn)調(diào)控，為氮化鐵在自旋電子器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種外延生長(zhǎng)多種相結(jié)構(gòu)的氮化鐵薄膜的方法。

背景技術(shù)

氮化鐵是典型的填隙合金，直徑小的N原子有序占據(jù)Fe原子形成的間隙位，在Fe的晶格中引入化學(xué)應(yīng)力。隨著氮含量和溫度的變化，在應(yīng)力誘導(dǎo)下，氮化鐵展現(xiàn)出了豐富的相結(jié)構(gòu)，包括α-Fe(N)、α′-Fe₈N、α″-Fe₁₆N₂、γ′-Fe₄N、ε-Fe_3-xN、ζ-Fe₂N、γ″-FeN和γ″′-FeN等，和多樣的磁結(jié)構(gòu)，包括鐵磁性、順磁性和反鐵磁性。圖1中給出了氮化鐵在常溫常壓下能夠穩(wěn)定存在的相結(jié)構(gòu)，圖中N:Fe小于0.5的α″-Fe₁₆N₂、γ′-Fe₄N和ε-Fe_3-xN(0≤x<1)具有高的飽和磁化強(qiáng)度和低的矯頑力，是理想的軟磁材料。特別是γ′-Fe₄N和ε-Fe_3-xN還具有高居里溫度、高自旋極化率、良好的熱穩(wěn)定性和耐磨損性，因此是制備磁傳感器、讀出磁頭等自旋電子器件所需的磁性材料，迫使人們對(duì)其制備工藝、磁性、電子輸運(yùn)性質(zhì)以及在自旋電子器件中的應(yīng)用進(jìn)行深入的研究。

在器件制備方面，以γ′-Fe₄N外延薄膜為磁性電極，相繼制備和研究了Fe₄N/Cu₃N/Fe₄N、Fe₃N(多晶)/AlN/Fe₄N、Fe₄N/MgO/Fe、和CoFeB/MgO/Fe₄N隧道結(jié)的磁電性質(zhì)，觀察到了電流誘導(dǎo)的磁開關(guān)行為隧穿磁電阻(TMR)的數(shù)值提高到了75％。由于磁隨機(jī)存儲(chǔ)器要求TMR的數(shù)值要高于150％，用γ′-Fe₄N外延薄膜制備的隧道結(jié)還遠(yuǎn)不能達(dá)到器件應(yīng)用要求。為了進(jìn)一步提高TMR的數(shù)值，最終實(shí)現(xiàn)氮化鐵在自旋器件中的應(yīng)用，需要從影響隧道結(jié)TMR的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)切入，一方面從磁性電極材料選擇方面入手，根據(jù)Jullière模型，從氮化鐵中尋找自旋極化率更高的相來替代γ′-Fe₄N相，進(jìn)而提高TMR；另一方面從制備工藝角度入手，使隧道結(jié)的兩個(gè)磁性層和非磁性層相互之間高度外延，以降低乃至消除電子在界面的散射，利用相干電子隧穿提高TMR。由于氮化鐵外延薄膜制備工藝的不足，導(dǎo)致氮化鐵在以上兩個(gè)方面的研究進(jìn)展緩慢，限制了氮化鐵在自旋電子器件中的應(yīng)用。