[發明專利]鈷氧化物基磁性氧化物薄膜及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110289382.4
• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN113061990A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 金奎娟;郭爾佳;金橋;林珊;陳爽;陳盛如;祁明群
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: C30B29/68
• 分類號: C30B29/68;C30B29/22;C30B23/02
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 郭廣迅;趙巖

本發明提供一種鈷氧化物基磁性氧化物薄膜及其制備方法和應用，該磁性氧化物薄膜由第一材料層和第二材料層交替生長而成的超晶格結構組成，其中，所述第一材料層為LaCoO₃，所述第二材料層為SrCuO₂。其制備方法包括：利用脈沖激光沉積技術在單晶襯底上交替沉積形成由LaCoO₃層和SrCuO₂層構成的超晶格結構。本發明操作簡單，可重復性強，不受外界環境影響。可根據器件需要，制備不同組成的[(LaCoO₃)_m/(SrCuO₂)_n]_p超晶格結構。本發明為光泵浦和電流驅動的超薄自旋軌道轉矩器件提供了備選材料。

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，具體涉及鈷氧化物基磁性氧化物薄膜及其制備方法和應用。

背景技術

大面積且兼容于硅基半導體的強磁性超薄量子功能材料對開發下一代納米，甚至亞納米尺寸，高性能自旋電子器件尤為重要。近些年，研究者們陸續發現了以Fe₃GeTe₂和CrI₃等為代表的兼具鐵磁性和垂直磁各向異性的范德瓦爾斯二維材料，掀起了低維磁性材料的研究熱潮。過渡金屬氧化物具有耐酸、耐腐蝕、熱穩定性優異、空氣穩定性好以及可與硅半導體工藝相結合等優勢；同時，該類材料具有多自由度強關聯耦合的特性，使其對多種物理場(電場、磁場、光場等)非常敏感。因此，過渡金屬氧化物是下一代高靈敏、低功耗、多功能電子器件的理想材料。

然而，目前大多數磁性氧化物薄膜面臨的關鍵挑戰是當其厚度小于“磁性死層”的臨界厚度(約4至5個原胞層)時，薄膜樣品的鐵磁轉變溫度急劇減小，同時它的飽和磁化強度也大幅減弱，甚至磁性完全消失。這一現象從根本上局限了過渡金屬氧化物超薄膜在微納磁性功能器件中的應用。

鈣鈦礦型鈷氧化物(LaCoO₃)具有豐富的自旋態轉化現象。雖然本征塊材不具有長程有序的自旋排列，但是在受到襯底施加的張應力作用下，LaCoO₃薄膜卻表現出反常的鐵磁絕緣特性。

近兩年，有研究者利用單晶襯底的表面臺階具有的面內二重旋轉對稱性實現了LaCoO₃薄膜準一維鐵彈結構和磁各向異性的精準調控，并通過極化中子反射譜研究了可逆晶格畸變導致的磁性變化。隨后該研究團隊又探索了不同薄膜厚度和不同外延應力作用下，LaCoO₃薄膜軌道序和自旋態對宏觀磁性的非線性調控效應。

發明內容

本發明的目的是針對單原胞層磁性減弱甚至消失的問題，提供一種基于超晶格結構的單原胞層LaCoO₃薄膜及其制備方法和應用。

本發明提供了一種鈷氧化物基磁性氧化物薄膜，所述磁性氧化物薄膜由第一材料層和第二材料層交替生長而成的超晶格結構組成，其中，所述第一材料層為LaCoO₃，所述第二材料層為SrCuO₂。

根據本發明提供的磁性氧化物薄膜，其中，所述第一材料層的厚度可以為0.4～10nm，優選為0.4～5nm，更優選為0.4～1nm；所述第二材料層的厚度可以為0.4～10nm，優選為0.4～5nm，更優選為0.4～1nm。

在本發明提供的磁性氧化物薄膜中，所述超晶格結構可以包括多個超晶格周期，每個超晶格周期包括相鄰設置的第一材料層與第二材料層。本發明對所述超晶格周期的數量沒有特別的限制，可以根據需要設置任意數量的超晶格周期，例如，1～100個，如1個、2個、3個、5個、10個、15個、20個、50個等等。