本發明屬于材料領域。具體涉及一種ti摻雜cro2外延薄膜及其制備方法。
背景技術:
近年來,自旋電子學是國際凝聚態物理和材料科學關注的焦點之一,引起了人們的廣泛的注意。作為最簡單的鐵磁性半金屬氧化物cro2是傳統的磁記錄材料,cro2經實驗證實具有接近100%的自旋極化率,而且cro2的居里溫度高達396k。因此,cro2被認為是極具開發潛力的、理想的自旋電子器件的電極材料之一。
cro2雖然是一種磁性能良好且應用廣泛的磁性材料,但常溫下處于亞穩態,熱穩定性差。目前最常用的是在o2的氛圍下制備cro2,但是其制備溫度只能是在390oc附近,高于400oc純的cro2材料就會開始分解,薄膜中開始出現cr2o3的雜相,低于380oc時,氣氛里面的cro2無法在tio2基片上成膜或者成膜速率極其低下。專利號為“cn201410207290”名稱為一種sn摻雜cro2薄膜及其制備方法雖然也成功摻雜入了sn,提高了他的熱穩定性,但是他并沒有擴大制備溫度,而且薄膜的質量略微降低,而且磁性能并沒有什么優點。目前公開的方法都只是如何制備高純度cro2材料,尚未有向cro2材料摻入ti元素來改善其熱穩定性的具體制備方法。
技術實現要素:
本發明旨在克服現有技術缺陷,目的是提供一種操作簡單和能較快地進行產業化生產的ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法,用該方法制備的ti摻雜cro2外延薄膜在cro2性能無較大變化的情況下使其熱穩定性得到較大提高,從而使其應用范圍更加廣泛。
為實現上述目的,本發明采用的技術方案是:
一種ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法,包含以下步驟:
步驟一,將75~99.99份質量的cro3和0.01~25份質量的tif4混合均勻后裝入石英舟,再將所述石英舟放入雙溫管式爐的低溫區,將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區;
步驟二,在以100~160ml/min的流速向管式爐內持續通入o2的條件下,將高溫區加熱至390℃~480℃,開始保溫;
步驟三,在高溫區開始保溫時,對低溫區開始加熱,將低溫區加熱至310℃,再對高溫區和低溫區保溫1.5~3h,即在tio2單晶基片上制得ti摻雜cro2外延薄膜。
上述制備方法中,所述的cro3為分析純物質。
上述制備方法中,所述的tif4為分析純物質。
一種ti摻雜cro2外延薄膜,所述ti摻雜cro2外延薄膜是根據權利要求1~3中任一項所述ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法所制備的ti摻雜cro2外延薄膜。
由于采用上述技術方案,本發明與現有技術相比,具有如下積極效果:
第一、本發明所采用的雙溫區管式爐在國內較為成熟,其操作簡單,常壓下便能生產,用其生產ti摻雜cro2外延薄膜可以較快的進行產業化生產。
第二、純的cro2材料在400℃以上便開始分解為cr2o3,380oc以下在基片上無法成膜,而本發明的ti摻雜cro2外延薄膜在510℃仍能保持穩定,大大提高了制備溫度區間上限,而且制備溫度區間為390oc~480oc,熱穩定性得到了較大提高,和更多的一些高溫材料有溫度區間的重疊,能和更多的高溫材料相互耦合形成多層膜自旋器件,從而使其應用范圍更加廣泛。
第三、與純的cro2材料相比,本發明的ti摻雜cro2外延薄膜磁性能并無較大改變。
第四、摻雜進去的ti原子能和cr原子實現反鐵磁耦合,從而能實現純樣所不能制作的特殊性能的自旋電子器件。
因此,本發明具有操作簡單和能較快地進行產業化生產的特點,用該方法制備的ti摻雜cro2外延薄膜在磁性能無較大變化的情況下熱穩定性有了較大的提高。
附圖說明
圖1為ti摻雜cro2外延薄膜的xrd圖譜,a、b、c、d分別對應實施例1、2、3、4制備的n摻雜cro2外延薄膜;
圖2為vsm圖和m-t曲線,(a)是標準樣(純cro2)的vsm圖,(b)是實施例2的ti摻雜cro2外延薄膜的vsm圖,(c)是實施例2的ti摻雜cro2外延薄膜的m-t曲線;
圖3為ti摻雜cro2外延薄膜經退火處理后的xrd圖譜,a是標準樣(純cro2)薄膜435℃退火處理,b是實施例2制備的ti摻雜cro2外延薄膜經435℃退火處理,c是實施例2制備的ti摻雜cro2外延薄膜經530℃退火處理;
圖4為標準樣(純cro2)薄膜和ti摻雜cro2外延薄膜的sem圖譜對比,a是標準樣(純cro2)薄膜表面的sem圖片,b是實施例4的ti摻雜cro2外延薄膜表面sem圖譜。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明作進一步的描述,并非對其保護范圍是限制。
本具體實施方式所述的cro3和tif4為分析純物質。
實施例1
一種ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法,本實施例所述制備方法包含以下步驟:
步驟一,將80份質量的cro3和15份質量的tif4混合均勻后裝入石英舟,再將所述石英舟放入雙溫管式爐的低溫區,將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區;
步驟二,在以160ml/min的流速向管式爐內持續通入o2的條件下,將高溫區加熱至390℃,開始保溫;
步驟三,在高溫區開始保溫時,對低溫區開始加熱,將低溫區加熱至310℃,再對高溫區和低溫區保溫1h,石英舟中的cro3和tif4氣化并隨著o2氣流進入高溫區,最后cro3氣相和tif4氣相反應生成物質在tio2單晶基片上沉積,即在tio2單晶基片上制得ti摻雜cro2外延薄膜。
實施例2
一種ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法,本實施例所述制備方法包含以下步驟:
步驟一,將80份質量的cro3和15份質量的tif4混合均勻后裝入石英舟,再將所述石英舟放入雙溫管式爐的低溫區,將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區;
步驟二,在以160ml/min的流速向管式爐內持續通入o2的條件下,將高溫區加熱至430℃,開始保溫;
步驟三,在高溫區開始保溫時,對低溫區開始加熱,將低溫區加熱至310℃,再對高溫區和低溫區保溫1.5h,石英舟中的cro3和tif4氣化并隨著o2氣流進入高溫區,最后cro3氣相和tif4氣相反應生成物質在tio2單晶基片上沉積,即在tio2單晶基片上制得ti摻雜cro2外延薄膜。
實施例3
一種ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法,本實施例所述制備方法包含以下步驟:
步驟一,將80份質量的cro3和15份質量的tif4混合均勻后裝入石英舟,再將所述石英舟放入雙溫管式爐的低溫區,將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區;
步驟二,在以160ml/min的流速向管式爐內持續通入o2的條件下,將高溫區加熱至450℃,開始保溫;
步驟三,在高溫區開始保溫時,對低溫區開始加熱,將低溫區加熱至310℃,再對高溫區和低溫區保溫2h,石英舟中的cro3和tif4氣化并隨著o2氣流進入高溫區,最后cro3氣相和tif4氣相反應生成物質在tio2單晶基片上沉積,即在tio2單晶基片上制得ti摻雜cro2外延薄膜。
實施例4
一種ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法,本實施例所述制備方法包含以下步驟:
步驟一,將80份質量的cro3和15份質量的tif4混合均勻后裝入石英舟,再將所述石英舟放入雙溫管式爐的低溫區,將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區;
步驟二,在以160ml/min的流速向管式爐內持續通入o2的條件下,將高溫區加熱至480℃,開始保溫;
步驟三,在高溫區開始保溫時,對低溫區開始加熱,將低溫區加熱至310℃,再對高溫區和低溫區保溫2h,石英舟中的cro3和tif4氣化并隨著o2氣流進入高溫區,最后cro3氣相和tif4氣相反應生成物質在tio2單晶基片上沉積,即在tio2單晶基片上制得ti摻雜cro2外延薄膜。
下面通過不同的表征方法對上述實施例作進一步說明。
圖1為ti摻雜cro2外延薄膜的xrd圖譜,a、b、c、d分別對應實施例1、2、3、4制備的n摻雜cro2外延薄膜,表明在390℃到480℃的溫度區間內都可以長出高質量的外延單晶cro2薄膜。
圖2為vsm圖和m-t曲線,(a)是標準樣(純cro2)的vsm圖,(b)是實施例2的ti摻雜cro2外延薄膜的vsm圖,(c)是實施例2的ti摻雜cro2外延薄膜的m-t曲線,可以看到ti-cr之間出現了反鐵磁耦合。需要說明的是其他實施例的vsm圖和m-t曲線均表明ti-cr之間出現了反鐵磁耦合。
圖3為ti摻雜cro2外延薄膜經退火處理后的xrd圖譜,a是標準樣(純cro2)薄膜435℃退火處理,衍射角2θ為36.5處明顯出現雜相的峰,b是實施例2制備的ti摻雜cro2外延薄膜經435℃退火處理,并沒有出現雜相,c是實施例2制備的ti摻雜cro2外延薄膜經530℃退火處理,衍射角2θ為36.5處才出現雜相,說明實施例2制備的ti摻雜cro2外延薄膜的熱穩定性得到大幅度提高。需要說明的是其他實施例經退火處理后的xrd圖譜均表明ti摻雜cro2外延薄膜的熱穩定性得到大幅度提高。
圖4為標準樣(純cro2)薄膜和ti摻雜cro2外延薄膜的sem圖譜對比,a是標準樣(純cro2)薄膜表面的sem圖片,b是實施例4的ti摻雜cro2外延薄膜表面sem圖譜,可以明顯看到樣品表面粗糙度降低,質量得到提高。需要說明的是其他實施例的sem圖譜均表明樣品表面粗糙度與標準樣相比降低。