本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域。具體涉及一種n摻雜cro2外延薄膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，自旋電子學(xué)是國際凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)關(guān)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(tǒng)的磁記錄材料，cro2經(jīng)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(dá)396k。因此，cro2被認(rèn)為是極具開發(fā)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(yīng)用廣泛的磁性材料，但常溫下處于亞穩(wěn)態(tài)，熱穩(wěn)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390^oc附近，高于400^oc純的cro2材料就會開始分解，薄膜中開始出現(xiàn)cr2o3的雜相，低于380^oc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。最近新提出來的在ar為輸運氣體下制備cro2外延薄膜，但是他并沒有擴大其制備溫度區(qū)間和薄膜的熱穩(wěn)定性，即使相對容易制備的cro2粉末，比如專利號為“cn101684002a”名稱為“一種制備納米二氧化鉻的方法”，他的制備溫度也僅僅在350~380^oc。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n元素來改善其熱穩(wěn)定性的具體制備方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，目的是提供一種操作簡單和能較快地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的n摻雜cro2外延薄膜的制備方法，用該方法制備的n摻雜cro2外延薄膜在cro2性能無較大變化的情況下使其熱穩(wěn)定性和制備溫度區(qū)間得到較大提高，從而使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

n摻雜cro2外延薄膜n摻雜cro2外延薄膜一種n摻雜cro2外延薄膜的制備方法，包含以下步驟：

步驟一，先將75~99.99份質(zhì)量的cro3裝入石英舟內(nèi)，將石英舟放入雙溫區(qū)管式爐的低溫區(qū)，再將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以150~250ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入n2的條件下，將高溫區(qū)加熱至270℃~430℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時，對低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至240℃~280℃，再對高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫1.5~3h，即在tio2單晶基片上制得不同摻雜濃度的n摻雜cro2外延薄膜。

上述制備方法中，所述的cro3為分析純物質(zhì)。

上述制備方法中，所述的n2為高純態(tài)物質(zhì)。

一種n摻雜cro2外延薄膜，所述n摻雜cro2外延薄膜是根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項所述n摻雜cro2外延薄膜的制備方法所制備的n摻雜cro2外延薄膜。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下積極效果：

第一、本發(fā)明所采用的雙溫區(qū)管式爐在國內(nèi)較為成熟，其操作簡單，常壓下便能生產(chǎn)，用其生產(chǎn)n摻雜cro2外延薄膜可以較快的進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

第二、純的cro2材料在400℃以上便開始分解為cr2o3，380^oc以下在基片上無法成膜，而本發(fā)明的n摻雜cro2外延薄膜在500℃仍能保持穩(wěn)定，而且制備溫度區(qū)間為270^oc~430^oc，熱穩(wěn)定性得到了較大提高，從而使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

第三、與純的cro2材料相比，本發(fā)明的n摻雜cro2外延薄膜磁性能并無較大改變，而且表面更加光滑平整，薄膜厚度可控性增強。

因此，本發(fā)明具有操作簡單和能較快地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的特點，用該方法制備的n摻雜cro2外延薄膜在磁性能無較大變化的情況下熱穩(wěn)定性和制備溫度區(qū)間有了較大的提高。

附圖說明

圖1為n摻雜cro2外延薄膜與標(biāo)準(zhǔn)樣的xrd圖譜的對比，a是標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2），b是實施例2的n摻雜cro2外延薄膜；

圖2為不同溫度下制備的n摻雜cro2外延薄膜的xrd圖譜a、b、c、d分別對應(yīng)實施例1、2、3、4制備的n摻雜cro2外延薄膜；e-f是標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2）；

圖3為n摻雜cro2外延薄膜與標(biāo)準(zhǔn)樣的afm圖譜的對比，a是標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2），b是實施例6的n摻雜cro2外延薄膜；

圖4為vsm測量的磁滯回線，a是易磁軸，b是難磁軸，a對應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2），b、c、d分別對應(yīng)實施例5、6、7制備的n摻雜cro2外延薄膜。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，并非對其保護(hù)范圍是限制。

本具體實施方式所述的cro3為分析純物質(zhì)、所述的n2為高純態(tài)物質(zhì)，所述的摻雜濃度指的是n原子的數(shù)量除以o原子數(shù)量。

實施例1

一種n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，先將75份質(zhì)量的cro3裝入石英舟內(nèi)，將石英舟放入雙溫區(qū)管式爐的低溫區(qū)，再將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以160ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入n2的條件下，將高溫區(qū)加熱至310℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時，對低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至260℃，再對高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫3.5h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

實施例2

一種n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，先將75份質(zhì)量的cro3裝入石英舟內(nèi)，將石英舟放入雙溫區(qū)管式爐的低溫區(qū)，再將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以150ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入n2的條件下，將高溫區(qū)加熱至390℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時，對低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至260℃，再對高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫1.5h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

實施例3

一種n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，先將75份質(zhì)量的cro3裝入石英舟內(nèi)，將石英舟放入雙溫區(qū)管式爐的低溫區(qū)，再將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以150ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入n2的條件下，將高溫區(qū)加熱至430℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時，對低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至260℃，再對高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫1.5h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

實施例4：

一種n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，先將75份質(zhì)量的cro3裝入石英舟內(nèi)，將石英舟放入雙溫區(qū)管式爐的低溫區(qū)，再將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以150ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入n2的條件下，將高溫區(qū)加熱至270℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時，對低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至260℃，再對高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫4.5h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

實施例5

一種n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，先將75份質(zhì)量的cro3裝入石英舟內(nèi)，將石英舟放入雙溫區(qū)管式爐的低溫區(qū)，再將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以150ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入n2的條件下，將高溫區(qū)加熱至340℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時，對低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至260℃，再對高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫3h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

本實施例測得摻雜濃度為0.91%。

實施例6

一種n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，先將75份質(zhì)量的cro3裝入石英舟內(nèi)，將石英舟放入雙溫區(qū)管式爐的低溫區(qū)，再將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以150ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入n2的條件下，將高溫區(qū)加熱至370℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時，對低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至260℃，再對高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫2.5h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

本實施例測得摻雜濃度為2.94%。

實施例7

一種n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，先將75份質(zhì)量的cro3裝入石英舟內(nèi)，將石英舟放入雙溫區(qū)管式爐的低溫區(qū)，再將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以150ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入n2的條件下，將高溫區(qū)加熱至410℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時，對低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至260℃，再對高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫2h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

本實施例測得摻雜濃度為3.91%。

下面通過不同的表征方法對上述實施例作進(jìn)一步說明。

圖1為n摻雜cro2外延薄膜與標(biāo)準(zhǔn)樣的xrd圖譜的對比，a是標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2），b是實施例2的n摻雜cro2外延薄膜。峰為相對應(yīng)說明實施例2所制備的n摻雜cro2外延薄膜沒有雜相，是所需要的外延單晶cro2薄膜材料。

圖2為不同溫度下制備的n摻雜cro2外延薄膜的xrd圖譜，a、b、c、d分別對應(yīng)實施例1、2、3、4制備的n摻雜cro2外延薄膜；e、f是標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2），由于標(biāo)準(zhǔn)樣的制備溫度區(qū)間為380-400℃。標(biāo)準(zhǔn)樣的制備溫度低于380℃沉積不了薄膜、高于400℃會出現(xiàn)雜相。

圖3為n摻雜cro2外延薄膜與標(biāo)準(zhǔn)樣的afm圖譜的對比，a是標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2），b是實施例6的n摻雜cro2外延薄膜。摻雜后表面粗糙度大幅度降低，使得薄膜質(zhì)量提高。需要說明的是，本具體實施方式除實施例6之外的其他實施例所制備的n摻雜cro2外延薄膜與標(biāo)準(zhǔn)樣的afm圖譜的對比顯示，摻雜后表面粗糙度大幅度降低。

圖4為vsm測量的磁滯回線，a是易磁軸，b是難磁軸，a對應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2），b、c、d分別對應(yīng)實施例5、6、7制備的n摻雜cro2外延薄膜。通過a可以看到摻雜后矯頑力降低，質(zhì)量提高；通過b可以看到飽和磁場增大，磁各向異性那能提高，摻雜具有更好的磁性能。