本發(fā)明涉及磁性材料，更具體地，涉及一種高質(zhì)量單原胞厚度鉻銻磁性薄膜的制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、近年來，二維鐵磁材料的發(fā)現(xiàn)引起了廣泛關(guān)注，在數(shù)據(jù)存儲、傳感器、基于自旋的高效能計算機(jī)及其他納米器件中蘊(yùn)含著巨大應(yīng)用前景。大量理論與實(shí)驗研究致力于實(shí)現(xiàn)室溫穩(wěn)定的二維材料的長程鐵磁有序。盡管不少二維材料的鐵磁性已得到證實(shí)，但其居里溫度往往低于室溫，且通常不具備空氣穩(wěn)定性，嚴(yán)重限制了實(shí)際應(yīng)用。

2、作為一種典型的鐵磁材料，鉻銻的居里溫度高達(dá)710?k，在半導(dǎo)體器件，尤其是新一代利用電子自旋屬性進(jìn)行調(diào)控的電子學(xué)器件上有巨大的潛在應(yīng)用前景。隨著半導(dǎo)體行業(yè)微型化發(fā)展，電子元器件的集成度日益增加，對超薄層甚至原子級厚度高質(zhì)量薄膜材料提出了需求。目前鉻銻的制備方法主要包括自助熔劑法和磁控濺射技術(shù)等。鉻銻體相材料是非范德華材料，自助熔劑法生長出的鉻銻塊材極難剝離到薄層。磁控濺射技術(shù)生長出的鉻銻薄膜晶體質(zhì)量差，厚度一般為幾十納米到微米級別，且層數(shù)不易控制。目前鉻銻的制備方法均難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量鉻銻薄膜的制備，嚴(yán)重影響了鉻銻材料在半導(dǎo)體器件方面的應(yīng)用，因此探索高質(zhì)量鉻銻薄膜的制備方法成為亟待解決的問題。

3、與其他生長方法相比，分子束外延具有突出的優(yōu)勢：首先是整個生長過程是在超高真空下進(jìn)行，使用純度極高的元素材料，這些有效地避免了雜質(zhì)的干擾，所以可以得到極高純度的外延薄膜；其次，生長速率低，使得原子或分子有足夠的時間在其表面進(jìn)行遷移；生長源的溫度波動不超過±1℃，生長束流極其穩(wěn)定，從而可實(shí)現(xiàn)原子層厚度的逐層生長；另外，生長溫度低，減少了界面處襯底原子與沉積原子的互擴(kuò)散，可得到清晰的界面結(jié)構(gòu)。

4、目前為止，關(guān)于分子束外延技術(shù)制備單原胞厚度鉻銻薄膜的研究還沒有報道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種高質(zhì)量單原胞厚度鉻銻磁性薄膜的制備方法與應(yīng)用，首次實(shí)現(xiàn)了利用分子束外延生長技術(shù)制備高質(zhì)量單原胞厚度鉻銻磁性薄膜，且鉻銻磁性薄膜的層厚可控，為鉻銻材料在新一代半導(dǎo)體器件上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種高質(zhì)量單原胞厚度鉻銻磁性薄膜的制備方法，包括以下步驟：

4、（1）將鈦酸鍶襯底清洗后放置在分子束外延生長設(shè)備的腔體中，在超真空條件下對所述鈦酸鍶襯底進(jìn)行除氣和高溫退火，直至所述鈦酸鍶襯底表面出現(xiàn)寬度為50?nm~200nm的臺階，得到預(yù)處理后的襯底。具體的，本發(fā)明中選用的鈦酸鍶襯底具有晶面質(zhì)量可控，原子級平整，與要制備的薄膜晶格匹配度高的優(yōu)勢，并且通過對鈦酸鍶襯底的高溫預(yù)處理，襯底表面形成了有序的平整臺階，作為模板實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量磁性薄膜的高效可控的外延生長。

5、（2）以鉻源和銻源為蒸發(fā)源，采用分子束外延生長技術(shù)在所述預(yù)處理后的襯底上生長鉻銻磁性薄膜，其中，鉻源的蒸發(fā)溫度為1200℃～1300℃，銻源的蒸發(fā)溫度為380℃～420℃，所述預(yù)處理后的襯底的溫度保持在300℃～360℃，生長速率為0.034層/min~0.04層/min，生長時間為25min~30min，單原胞厚度為0.8?nm；所述鉻銻磁性薄膜具有六角晶格結(jié)構(gòu)。

6、可選的，步驟（2）中鉻源束流和銻源束流的比例為1：（9~11）；生長過程中的鉻源束流為24.1min/層~29.4min/層，銻源束流為2.41min/層~2.94min/層。具體的，通過調(diào)節(jié)生長參數(shù)及cr和sb束流比，可實(shí)現(xiàn)不同層厚度的鉻銻磁性薄膜的制備。

7、可選的，步驟（2）中，鉻源的蒸發(fā)溫度為1240℃～1260℃，銻源的蒸發(fā)溫度為390℃～410℃，所述預(yù)處理后的襯底的溫度保持在320℃～340℃，生長速率為0.036層/min~0.038層/min。

8、可選的，步驟（1）中所述除氣和高溫退火包括：在5×10-10mbar~1×10-9mbar的超真空條件下，將所述鈦酸鍶襯底升溫至380℃～420℃，保溫1.5h~2.5h進(jìn)行除氣，之后將所述襯底升溫至800℃~1000℃，保溫0.25h~0.75h。

9、可選的，步驟（1）中所述鈦酸鍶襯底為srtio3（001）晶片或srtio3（111）晶片。

10、可選的，步驟（2）中，襯底的升溫速率為14℃/min~16℃/min；鉻源的升溫速率為28°c/min~32℃/min，以確保鉻穩(wěn)定蒸發(fā)；銻源的升溫速率為14°c/min~16℃/min，以確保銻穩(wěn)定蒸發(fā)；真空維持在5×10-10mbar~1×10-9mbar。

11、可選的，步驟（2）中，襯底的升溫速率為14.5℃/min~15.5℃/min；鉻源的升溫速率為29℃/min~31℃/min；銻源的升溫速率為14.5℃/min~15.5℃/min

12、可選的，步驟（1）中所述清洗包括：將鈦酸鍶襯底放到無水乙醇中，超聲清洗15分鐘。清洗完畢后用鑷子夾出，用無塵紙輕輕擦拭掉多余的乙醇。

13、可選的，步驟（1）中的采用紅外測溫儀監(jiān)測除氣溫度和退火溫度；采用掃描隧道顯微鏡觀察預(yù)處理后的襯底表面的規(guī)則臺階結(jié)構(gòu)。

14、可選的，步驟（2）中采用掃描隧道顯微鏡圖像測量單原胞厚度。

15、本發(fā)明還公開了一種如上述的制備方法制備得到的高質(zhì)量單原胞厚度鉻銻磁性薄膜。

16、本發(fā)明還公開了一種如上述的制備方法制備得到的高質(zhì)量單原胞厚度鉻銻磁性薄膜在新一代半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。

17、實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例，將具有如下有益效果：

18、（1）本發(fā)明提供的制備方法通過選用鈦酸鍶單晶作為襯底，利用鉻源和銻源作為反應(yīng)材料，首次利用分子束外延生長技術(shù)并結(jié)合超高真空環(huán)境和精確的溫度控制，成功制備出高質(zhì)量單原胞厚度的鉻銻磁性薄膜，整個生長過程是在超高真空下進(jìn)行，使用純度極高的元素材料，有效地避免了雜質(zhì)的干擾，可以得到極高純度的外延薄膜。

19、（2）采用本發(fā)明提供的制備方法制備得到的鉻銻磁性薄膜展示出極其顯著的磁各向異性，其易磁化軸沿面外方向，且在面內(nèi)與面外方向的磁化強(qiáng)度差異明顯。薄膜的磁性測試顯示出清晰的磁滯回線，表明薄膜具有鐵磁性，并且隨著溫度的升高，矯頑場逐漸減小。此外，該薄膜還具有穩(wěn)定的磁學(xué)性質(zhì)，其空氣穩(wěn)定性好，表現(xiàn)出居里溫度高于室溫的特性，為室溫二維磁體，有利于磁性材料在新一代半導(dǎo)體器件的應(yīng)用。

20、（3）本發(fā)明中所使用的分子束外延設(shè)備可實(shí)現(xiàn)原子層厚度的逐層生長，可獲得不同厚度的鉻銻磁性薄膜。

21、（4）本發(fā)明的制備方法具備精確控制薄膜層數(shù)和高質(zhì)量生長的優(yōu)勢，為新一代半導(dǎo)體器件的開發(fā)提供了理想的薄膜材料，有望應(yīng)用于信息存儲、傳遞和處理，將在后摩爾時代扮演重要的角色。

22、綜上，本發(fā)明通過鈦酸鍶單晶襯底的選擇，以鉻、銻為蒸發(fā)源，結(jié)合襯底前處理和生長條件的優(yōu)化，通過分子束外延生長技術(shù)，成功制備出單原胞厚度為0.8?nm的鉻銻磁性薄膜，具有六角晶格結(jié)構(gòu)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中采用自助熔劑法生長出的塊材鉻銻單晶不易解理，很難剝離成薄層薄膜以及磁控濺射技術(shù)生長出的鉻銻薄膜結(jié)晶質(zhì)量差，且層數(shù)不易控制的問題，拓展了新型制備工藝，本發(fā)明提出的通過分子束外延生長技術(shù)實(shí)現(xiàn)單原胞鉻銻高質(zhì)量薄膜的制備方法，精準(zhǔn)可控，可實(shí)現(xiàn)原子層厚度的逐層生長的特點(diǎn)，且薄膜的層數(shù)可控，有利于實(shí)現(xiàn)鉻銻薄膜材料的大規(guī)模應(yīng)用。