一種非晶FeTiO/SiO₂/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料及其制備方法
【專利摘要】一種非晶FeTiO/SiO2/p?Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，由p?Si薄膜層、SiO2薄膜層和非晶FeTiO薄膜層組成并形成異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)FeTiO/SiO2/p?Si，各薄膜層的厚度分別為p?Si薄膜層330μm、SiO2薄膜層2nm、非晶FeTiO薄膜層350nm；采用超高真空三靶共沉積磁控濺射鍍膜機(jī)制備；用于半導(dǎo)體自旋電子學(xué)器件，包括磁場控制的開關(guān)、磁場敏感器和自旋二極管。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：采用濺射法制備，靶材選擇簡單和靶材使用率較高，在工業(yè)化生產(chǎn)上具有明顯成本和技術(shù)優(yōu)勢；異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料具有較高的磁電阻效應(yīng)。
【專利說明】
一種非晶FeT i 0/S i 02/p-S i異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明專利涉及一種具有巨大的正磁電阻效應(yīng)的非晶異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的制備方法，特別是一種非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，由于在磁信息存儲和讀取方面具有巨大的應(yīng)用前景，自旋電子學(xué)材料備受關(guān)注。2007年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了自旋電子學(xué)的開創(chuàng)者Albert Fert和Peter Griinberg兩位教授?，F(xiàn)在，如何獲取高自旋極化的電流仍然是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。獲得高自旋注入的辦法主要有選擇高自旋極化率的電極材料和制備稀磁性半導(dǎo)體材料。
[0003]要想將自旋電子學(xué)器件應(yīng)用在實(shí)際產(chǎn)品中，需要與現(xiàn)有的Si半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合起來。但是目前的磁性薄膜材料與Si基形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的自旋注入效率都不高，主要是由于磁性薄膜與Si的電阻率不匹配造成的。因此后來人們采用鐵磁性顆粒薄膜作為注入源材料，與Si半導(dǎo)體復(fù)合在一起形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而緩解電阻率失配的問題。Zhang等在發(fā)表在Appl.Phys.Lett.95，022503(2009)上的文章中報(bào)道了在采用脈沖激光沉積的Cox-Ch/n-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)中觀察到了電壓以來的正電阻效應(yīng);Lutsev等在發(fā)表在Phys.Rev.B 80,184423(2009)上的論文中發(fā)表了采用離子束共沉積法制備的Co-Si02/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)的大的磁電阻效應(yīng)。然而，這些樣品的制備方法在未來的工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)受到局限，工業(yè)生產(chǎn)中多用磁控濺射法制備薄膜材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料及其制備方法，該方法采用濺射法和相對簡單的實(shí)驗(yàn)條件下制備，制備的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料具有較高的磁電阻效應(yīng)，磁電阻可高達(dá)5000%。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0006]一種非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，由p-Si薄膜層、S12薄膜層和非晶FeT1薄膜層組成并形成異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)FeTi0/Si02/p_Si，各薄膜層的厚度分別為p-Si薄膜層330ym、Si02薄膜層2nm、非晶FeT1薄膜層350nm。
[0007]—種所述非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的制備方法，采用超高真空三靶共沉積磁控濺射鍍膜機(jī)制備，步驟如下:
[0008]I)在鍍膜機(jī)的靶頭上分別安裝一個(gè)純度為99.99 %的Ti靶和純度為99.99 %的Fe革巴，革E材的厚度分別為4mm和2.5mm，直徑均為60_ ；
[0009]2)將基底材料表面雜質(zhì)清除后安裝基底架上，基底與靶的距離為13cm，基片在上方，靶在下方；
[0010]3)開啟磁控濺射設(shè)備，先后啟動(dòng)一級機(jī)械栗和二級分子栗抽真空，直至濺射室的背底真空度不小于9 X 10—6Pa;[0011 ] 4)向真空室通入純度為99.999%的O2和99.999 %的Ar的混合氣體，使得真空室中的真空度為IPa，其中02的流量為3sccm，Ar的流量為10sccm;
[0012]5)開啟濺射電源，采用直流電源在Ti靶上施加0.4A的電流和340V的電壓;采用直流電源在Fe靶上施加0.2A的電流和300V的電壓，預(yù)濺射20分鐘，直至濺射電流和電壓穩(wěn)定；
[0013]6)打開基片的擋板，同時(shí)使基片架轉(zhuǎn)動(dòng)，每分鐘2周，在基片上沉積非晶FeT1薄膜，沉積時(shí)間為30分鐘，薄膜厚度為350nm;
[0014]7)濺射結(jié)束后關(guān)閉基片的擋板、基片架轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，然后關(guān)閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar和02，繼續(xù)抽真空半小時(shí)后關(guān)閉真空系統(tǒng)，向真空室充入純度為99.999%的氮?dú)?，打開真空室，取出樣品，制得非晶FeTi0/Si02/p_Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
[0015]所述Si基底為單面刨光的p-Si(lOO)單晶片，室溫電阻率為0.2Ω，厚度為330μπι，面積為3mmX 3mm，自然氧化層厚度為2nm。
[0016]—種所述非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，用于半導(dǎo)體自旋電子學(xué)器件，包括磁場控制的開關(guān)、磁場敏感器和自旋二極管。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0018]I)本發(fā)明采用濺射法制備了具有巨大的磁電阻效應(yīng)的非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)，與常用的脈沖激光沉積法和有機(jī)物金屬化學(xué)氣相沉積法相比，靶材選擇簡單和靶材使用率較高，在工業(yè)化生產(chǎn)上具有明顯成本和技術(shù)優(yōu)勢；
[0019]2)實(shí)驗(yàn)條件簡單，不需要基底加熱，不需要特殊的基底材料，在玻璃基底上就可以實(shí)現(xiàn)，不僅從工業(yè)上更為容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)應(yīng)用范圍亦較廣；
[0020 ] 3)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料具有較高的磁電阻效應(yīng)。
【附圖說明】
[0021]圖1為非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電輸運(yùn)測量的電路示意圖。
[0022]圖2為非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)的伏安特性曲線。
[0023]圖3為非晶FeTi0/Si02/p_Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁電阻隨電流的變化關(guān)系(磁場垂直膜面)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]根據(jù)我們對本發(fā)明中所制備的樣品進(jìn)行的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分析，下面將具有巨大的磁電阻效應(yīng)的非晶FeTi0/Si02/p_Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備的最佳實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)地說明。
[0025]實(shí)施例:
[0026]一種非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，由p-Si薄膜層、S12薄膜層和非晶FeT1薄膜層組成并形成異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)FeTi0/Si02/p_Si，各薄膜層的厚度分別為p-Si薄膜層330ym、Si02薄膜層2nm、非晶FeT1薄膜層350nm。
[0027]一種所述非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的制備方法，采用中科院沈陽科學(xué)儀器研制中心生產(chǎn)的超高真空三靶共沉積磁控濺射鍍膜機(jī)制備，Si基底為單面刨光的p-Si
(100)單晶片，室溫電阻率為0.2 Ω，厚度為330μπι，面積為3mm X 3mm，自然氧化層厚度為2nm，步驟如下:
[0028]I)在鍍膜機(jī)的靶頭上分別安裝一個(gè)純度為99.99 %的Ti靶和純度為99.99 %的Fe革巴，革E材的厚度分別為4mm和2.5mm，直徑均為60_ ；
[0029]2)將基底材料表面雜質(zhì)清除后安裝基底架上，基底與靶的距離為13cm，基片在上方，靶在下方；
[0030]3)開啟磁控濺射設(shè)備，先后啟動(dòng)一級機(jī)械栗和二級分子栗抽真空，直至濺射室的背底真空度不小于9 X 10—6Pa;
[0031 ] 4)向真空室通入純度為99.999%的O2和99.999 %的Ar的混合氣體，使得真空室中的真空度為IPa，其中02的流量為3sccm，Ar的流量為10sccm;
[0032]5)開啟濺射電源，采用直流電源在Ti靶上施加0.4A的電流和340V的電壓;采用直流電源在Fe靶上施加0.2A的電流和300V的電壓，預(yù)濺射20分鐘，直至濺射電流和電壓穩(wěn)定；
[0033]6)打開基片的擋板，同時(shí)使基片架轉(zhuǎn)動(dòng)，每分鐘2周，在基片上沉積非晶FeT1薄膜，沉積時(shí)間為30分鐘，薄膜厚度為350nm;
[0034]7)濺射結(jié)束后關(guān)閉基片的擋板、基片架轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，然后關(guān)閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar和02，繼續(xù)抽真空半小時(shí)后關(guān)閉真空系統(tǒng)，向真空室充入純度為99.999%的氮?dú)?，打開真空室，取出樣品，制得非晶FeTi0/Si02/p_Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
[0035]為確認(rèn)本發(fā)明最佳的實(shí)施方案，我們對本發(fā)明所制備的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了電輸運(yùn)特性和磁電阻效應(yīng)的測量。
[0036I本發(fā)明中測量非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電輸運(yùn)測量的電路示意圖，如圖1所示。所采用的電極為風(fēng)干的銀膠。
[0037]本發(fā)明中制備非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)的伏安特性曲線，如圖2所示，其中測量溫度為300K。從圖2中可以看出，伏安特性曲線呈現(xiàn)出非線性的二極管整流效應(yīng)。。
[0038]本發(fā)明測量了非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁電阻隨電流的變化關(guān)系，磁場方向垂直于膜面，磁場大小為90k0e;在測量磁電阻過程中，所采用的電極為風(fēng)干的銀膠;所采用電輸運(yùn)測量模式為電流垂直于膜面;所施加磁場的方向垂直于膜面。從測量結(jié)果上可以看出，最大值為5000 %，如圖3所示。
[0039]本發(fā)明通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，包括改變實(shí)驗(yàn)過程中的濺射電流、濺射電壓和薄膜厚度，在室溫條件下，以Si為基底，制備不同厚度的薄膜。最后發(fā)現(xiàn)只有在Ti靶上施加0.4A的電流和340V的電壓;在Fe靶上施加0.2A的電流和300V的電壓;薄膜的厚度為350nm時(shí)，非晶FeTi0/Si02/p_Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有巨大的磁電阻效應(yīng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種非晶FeTi0/Si02/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，其特征在于:由p_Si薄膜層、Si02薄膜層和非晶FeT1薄膜層組成并形成異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)FeTi0/Si02/p_Si，各薄膜層的厚度分別為p-Si薄膜層330ym、Si02薄膜層2nm、非晶FeT1薄膜層350nm。2.—種如權(quán)利要求1所述非晶FeTi0/Si02/p_Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于采用超高真空三靶共沉積磁控濺射鍍膜機(jī)制備，步驟如下: 1)在鍍膜機(jī)的靶頭上分別安裝一個(gè)純度為99.99%的Ti靶和純度為99.99 %的Fe靶，靶材的厚度分別為4mm和2.5mm，直徑均為6 Omm ； 2)將基底材料表面雜質(zhì)清除后安裝基底架上，基底與靶的距離為13cm，基片在上方，靶在下方； 3)開啟磁控濺射設(shè)備，先后啟動(dòng)一級機(jī)械栗和二級分子栗抽真空，直至濺射室的背底真空度不小于9 X 1-6Pa; 4)向真空室通入純度為99.999%的O2和99.999 %的Ar的混合氣體，使得真空室中的真空度為IPa，其中02的流量為3sccm，Ar的流量為10sccm; 5)開啟濺射電源，采用直流電源在Ti靶上施加0.4A的電流和340V的電壓;采用直流電源在Fe靶上施加0.2A的電流和300V的電壓，預(yù)濺射20分鐘，直至濺射電流和電壓穩(wěn)定； 6)打開基片的擋板，同時(shí)使基片架轉(zhuǎn)動(dòng)，每分鐘2周，在基片上沉積非晶FeT1薄膜，沉積時(shí)間為30分鐘，薄膜厚度為350nm; 7)濺射結(jié)束后關(guān)閉基片的擋板、基片架轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，然后關(guān)閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar和O2，繼續(xù)抽真空半小時(shí)后關(guān)閉真空系統(tǒng)，向真空室充入純度為99.999%的氮?dú)?，打開真空室，取出樣品，制得非晶FeTi0/Si02/p_Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述非晶FeTi0/Si02/p_Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于:所述Si基底為單面刨光的P-Si(10)單晶片，室溫電阻率為0.2 Ω，厚度為330μπι，面積為3_X3mm，自然氧化層厚度為2nm。4.一種如權(quán)利要求1所述非晶FeTi0/Si02/p_Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，其特征在于:用于半導(dǎo)體自旋電子學(xué)器件，包括磁場控制的開關(guān)、磁場敏感器和自旋二極管。
【文檔編號】C23C14/08GK105845315SQ201610298979
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】王曉姹
【申請人】天津理工大學(xué)