一種非晶FeTiO/SiO₂/p-Si異質結構材料及其制備方法
【專利摘要】一種非晶FeTiO/SiO2/p?Si異質結構材料，由p?Si薄膜層、SiO2薄膜層和非晶FeTiO薄膜層組成并形成異質疊層結構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制備；用于半導體自旋電子學器件，包括磁場控制的開關、磁場敏感器和自旋二極管。本發(fā)明的優(yōu)點：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優(yōu)勢；異質結構材料具有較高的磁電阻效應。
【專利說明】
一種非晶FeT i 0/S i 02/p-S i異質結構材料及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明專利涉及一種具有巨大的正磁電阻效應的非晶異質結構材料的制備方法，特別是一種非晶FeTi0/Si02/p-Si異質結構材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，由于在磁信息存儲和讀取方面具有巨大的應用前景，自旋電子學材料備受關注。2007年的諾貝爾物理學獎授予了自旋電子學的開創(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領域的熱點問題之一。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體材料。
[0003]要想將自旋電子學器件應用在實際產(chǎn)品中，需要與現(xiàn)有的Si半導體技術結合起來。但是目前的磁性薄膜材料與Si基形成的異質結構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半導體復合在一起形成異質結構，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)上的文章中報道了在采用脈沖激光沉積的Cox-Ch/n-Si異質結構中觀察到了電壓以來的正電阻效應;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異質結構的大的磁電阻效應。然而，這些樣品的制備方法在未來的工業(yè)生產(chǎn)中會受到局限，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異質結構材料及其制備方法，該方法采用濺射法和相對簡單的實驗條件下制備，制備的異質結構材料具有較高的磁電阻效應，磁電阻可高達5000%。
[0005]本發(fā)明的技術方案:
[0006]一種非晶FeTi0/Si02/p-Si異質結構材料，由p-Si薄膜層、S12薄膜層和非晶FeT1薄膜層組成并形成異質疊層結構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異質結構材料的制備方法，采用超高真空三靶共沉積磁控濺射鍍膜機制備，步驟如下:
[0008]I)在鍍膜機的靶頭上分別安裝一個純度為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)開啟磁控濺射設備，先后啟動一級機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，同時使基片架轉動，每分鐘2周，在基片上沉積非晶FeT1薄膜，沉積時間為30分鐘，薄膜厚度為350nm;
[0014]7)濺射結束后關閉基片的擋板、基片架轉動系統(tǒng)，然后關閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar和02，繼續(xù)抽真空半小時后關閉真空系統(tǒng)，向真空室充入純度為99.999%的氮氣，打開真空室，取出樣品，制得非晶FeTi0/Si02/p_Si異質結構材料。
[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異質結構材料的應用，用于半導體自旋電子學器件，包括磁場控制的開關、磁場敏感器和自旋二極管。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0018]I)本發(fā)明采用濺射法制備了具有巨大的磁電阻效應的非晶FeTi0/Si02/p-Si異質結構，與常用的脈沖激光沉積法和有機物金屬化學氣相沉積法相比，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優(yōu)勢；
[0019]2)實驗條件簡單，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現(xiàn)，不僅從工業(yè)上更為容易實現(xiàn)，同時應用范圍亦較廣；
[0020 ] 3)異質結構材料具有較高的磁電阻效應。
【附圖說明】
[0021]圖1為非晶FeTi0/Si02/p-Si異質結構的電輸運測量的電路示意圖。
[0022]圖2為非晶FeTi0/Si02/p-Si異質結構的伏安特性曲線。
[0023]圖3為非晶FeTi0/Si02/p_Si異質結構的磁電阻隨電流的變化關系(磁場垂直膜面)。
【具體實施方式】
[0024]根據(jù)我們對本發(fā)明中所制備的樣品進行的結構和性質分析，下面將具有巨大的磁電阻效應的非晶FeTi0/Si02/p_Si異質結構制備的最佳實施方式進行詳細地說明。
[0025]實施例:
[0026]一種非晶FeTi0/Si02/p-Si異質結構材料，由p-Si薄膜層、S12薄膜層和非晶FeT1薄膜層組成并形成異質疊層結構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異質結構材料的制備方法，采用中科院沈陽科學儀器研制中心生產(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)在鍍膜機的靶頭上分別安裝一個純度為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)開啟磁控濺射設備，先后啟動一級機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，同時使基片架轉動，每分鐘2周，在基片上沉積非晶FeT1薄膜，沉積時間為30分鐘，薄膜厚度為350nm;
[0034]7)濺射結束后關閉基片的擋板、基片架轉動系統(tǒng)，然后關閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar和02，繼續(xù)抽真空半小時后關閉真空系統(tǒng)，向真空室充入純度為99.999%的氮氣，打開真空室，取出樣品，制得非晶FeTi0/Si02/p_Si異質結構材料。
[0035]為確認本發(fā)明最佳的實施方案，我們對本發(fā)明所制備的異質結構材料進行了電輸運特性和磁電阻效應的測量。
[0036I本發(fā)明中測量非晶FeTi0/Si02/p-Si異質結構的電輸運測量的電路示意圖，如圖1所示。所采用的電極為風干的銀膠。
[0037]本發(fā)明中制備非晶FeTi0/Si02/p-Si異質結構的伏安特性曲線，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。。
[0038]本發(fā)明測量了非晶FeTi0/Si02/p-Si異質結構的磁電阻隨電流的變化關系，磁場方向垂直于膜面，磁場大小為90k0e;在測量磁電阻過程中，所采用的電極為風干的銀膠;所采用電輸運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)明通過大量的實驗研究，包括改變實驗過程中的濺射電流、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，非晶FeTi0/Si02/p_Si異質結構具有巨大的磁電阻效應。
【主權項】
1.一種非晶FeTi0/Si02/p-Si異質結構材料，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疊層結構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.—種如權利要求1所述非晶FeTi0/Si02/p_Si異質結構材料的制備方法，其特征在于采用超高真空三靶共沉積磁控濺射鍍膜機制備，步驟如下: 1)在鍍膜機的靶頭上分別安裝一個純度為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)開啟磁控濺射設備，先后啟動一級機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，同時使基片架轉動，每分鐘2周，在基片上沉積非晶FeT1薄膜，沉積時間為30分鐘，薄膜厚度為350nm; 7)濺射結束后關閉基片的擋板、基片架轉動系統(tǒng)，然后關閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar和O2，繼續(xù)抽真空半小時后關閉真空系統(tǒng)，向真空室充入純度為99.999%的氮氣，打開真空室，取出樣品，制得非晶FeTi0/Si02/p_Si異質結構材料。3.根據(jù)權利要求2所述非晶FeTi0/Si02/p_Si異質結構材料的制備方法，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。4.一種如權利要求1所述非晶FeTi0/Si02/p_Si異質結構材料的應用，其特征在于:用于半導體自旋電子學器件，包括磁場控制的開關、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