專利名稱：一種MnAs納米線及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于MnAs納米線技術，特別是一種MnAs納米線及其制備方法。
背景技術：
作為晶體外延生長的典型示例，MnAs/GaAs異質結構一直是薄膜晶體生長領域的 研究重點，在自旋注入器件、自旋閥、磁隧道結等自旋電子學領域具有潛在的應用前景。MnAs/GaAs異質結構一般由分子束外延技術(MBE)及設備生長得到。MBE是一種應 用于晶體薄膜生長和薄膜器件制備的技術。通過MBE設備，不僅可以調整晶體生長的成分、 溫度、時間等參數(shù)，而且通過設計、選擇異質結構中的襯底、緩沖層等，可以調控晶體生長的 取向、晶格匹配度、應力等，從而得到不同類型、不同性能的晶體。M. Tanaka 的研究 Bemicond. Sci. Technol. 17(2002)327]指出，在 GaAs (001)單晶 襯底表面，當襯底溫度不高于250°C時，MnAs能夠形成外延二維薄膜，并且具有兩種可能的 外延晶向對應關系。無論何種晶向對應關系，MnAs的晶體結構通常都為六角密堆結構，其 鐵磁居里溫度在310 320K之間，在該溫度區(qū)間，可以觀察到MnAs由鐵磁態(tài)(α -MnAs)向 順磁態(tài)(β-MnAs)的轉變。在異質外延過程中，在適當?shù)囊r底應力作用和合適的生長溫度下，可以得 到橫躺于襯底表面的納米線。此類應力作用下外延生長得到的納米線，其生長遵循 Stranski-Krastanov(S-K)外延生長模式。當襯底溫度(或生長溫度)較高時，沉積原子 的表面遷移率較高，使得原子在沉積過程中優(yōu)先沿著某一晶向排列分布，導致了納米線的 形成。在Si(OOl)單晶表面生長的Ag納米線以及在Ge(OOl)單晶表面生長的!^13Ge58納米 線便是該生長模式的典型例子。在MnAs/GaAs (001)異質結構體系中，已有研究利用反射高 能電子衍射譜和原子力顯微鏡等技術探測到了 MnAs生長初期(即薄膜厚度低于幾個原子 層厚度時)的 S-K 生長模式[W. Braun 等，Surf. Sci. 600 (2006) 3950, ^P J. Okabayashi 等， Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 022502]。但是由于一般 MnAs/GaAs (001)異質外延生長目的是 為了得到高質量的二維薄膜，而較低的生長溫度O00-250°C )可以有效地抑制S-K生長模 式。因此，盡管MnAs/GaAs (001)的生長也屬于應力作用下的異質外延，但是沒有利用該技 術得到MnAs納米線的報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用MnAs/GaAs (001)異質外延生長過程中的S-K生 長模式，得到外延生長且橫躺于GaAs (001)單晶表面的MnAs納米線，應用自旋電子學領域。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為一種MnAs納米線，90%以上的納米線沿 [IlOJGaAs 晶向排列，晶向對應關系滿足[n01]MnAs||
GaAs，[li02]MnAs||[110]GaAs， 且[li20]MnAs丨丨[ilO]GaAs，其外延生長于GaAs (001)單晶襯底上，橫躺與GaAs (001)單晶表 面，具有六角密堆晶體結構。一種MnAs納米線的制備方法，步驟如下
(1)完成分子束外延設備/系統(tǒng)的各項生長準備程序確認系統(tǒng)中安裝有Mn、Ga、 As源；在超凈間將GaAs (001)單晶襯底切割并用化粘附于樣品臺上；在進出腔中對于襯底 及樣品臺進行去水氣烘烤，在緩沖腔中對于襯底及樣品臺進行去有機雜質的烘烤；用液氮 冷卻生長腔，以提高背景真空度；(2)在生長腔中外延生長GaAs (001)高溫緩沖層，以提高異質生長的界面質量；然 后在設定生長溫度生長MnAs納米線；(3)生長結束后將襯底降溫，將樣品連同樣品臺自緩沖腔和進出腔取出，并從樣品 臺上取下。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點=MnAs納米線為六角密堆晶體結構， 橫躺于GaAs(OOl)單晶表面，90%以上沿[110]GaAs晶向排列，晶向對應關系滿足 [n01]MnAs||
GaAs, [ll02]MnAs||[110]GaAs,且[n20]MnAs||[il0]GaAs，具有沿著下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是利用本發(fā)明的制備方法得到的MnAs/GaAs (001)納米線的表面形貌圖。圖2是圖1 (c)樣品的χ射線衍射(XRD)圖譜(兩個插圖為峰的放大)。圖3是在550°C、以及不同As4/Mn流量比與不同平均沉積厚度下得到的MnAs/ GaAs(OOl)的 AFM 圖像。圖4是樣品的磁滯回線，其中圖4(a)對應于圖1 (a)、(b)、(c)的納米線樣品。
具體實施例方式本發(fā)明MnAs納米線及其制備方法與MnAs/GaAs (001)薄膜生長技術中通過低溫 ((2500C )抑制晶格失配應力帶來的S-K三維生長模式相反，本發(fā)明中通過提高MnAs在 GaAs(OOl)單晶表面的生長溫度(彡450°C )，提高沉積原子在GaAs (001)表面的遷移能 力，促使MnAs在GaAs(OOl)表面的三維線狀生長，同時通過確保MnAs沉積過程中的As4/ Mn高流量比，來保證MnAs在高溫下形成時對的需求，從而得到外延生長于GaAs (001) 表面并有一定的晶向對應關系的MnAs納米線。即利用分子束外延技術生長于GaAs (001) 單晶襯底表面，首先在襯底表面高溫生長GaAs緩沖層，然后在較高的生長溫度
到550°C )和較高的As4/Mn流量比(20及以上)的條件下，控制MnAs的平均沉積厚度 (0. 4-3nm)，得到MnAs納米線，90%以上的納米線沿[110]GaAs晶向排列，晶向對應關系滿 足[ 101] MnAs||
GaAs ,[1102] MnAs||[lIOJGaAs，且[n20]MnAs||[h0]GaAs，其外延 生長于GaAs(OOl)單晶襯底上，橫躺與GaAs (001)單晶表面，具有六角密堆晶體結構。具有 沿著排列方向即[110]GaAs晶向的磁各向異性。本發(fā)明所得MnAs納米線的形貌受到生長條件的影響。圖1是利用本發(fā)明的制備 方法得到的MnAs/GaAs (001)納米線的表面形貌圖。樣品沉積過程中As4/Mn流量比為80，平均沉積厚度為1. 8nm。圖1 (a)、(b)、(c)分別為在450°C、500°C和550°C得到的MnAs納 米線的原子力顯微鏡(AFM)圖像，圖1(d)中注明了上述AFM圖像中納米線的自組織排列方 向及掃描范圍，以及對應于圖2(c)的橫截線的高度分布圖。圖1(e)為與圖l(c)、(d)相應 同一樣品的掃描電鏡(SEM)圖像。圖1中(a)、(b)、(c)三幅AFM圖像的比較指出高生長 溫度是獲得高長寬比納米線的必要條件。其中圖1(c)表明在55(rC、A、/Mn流量比為80， 平均沉積厚度為1. Snm條件下，能夠得到形貌較好的MnAs納米線。圖1 (d)給出了這一條 件下得到的納米線的橫截面高度分布圖；圖1(e)給出了同一樣品的SEM照片；而圖2則給 出了該樣品的XRD曲線。所有的形貌分布表征指出，本發(fā)明的MnAs納米線90%以上沿著 [110] GaAs自組裝排列。圖3是在550°C、以及不同A、/Mn流量比與不同平均沉積厚度下得到的MnAs/ GaAs (001)的AFM圖像其中圖3 (a)為As4/Mn流量比為20 ；圖3 (b)、(c)、(d)樣品平均沉 積厚度分別為0. 45nm、13. 5nm、33. 75nm。圖3說明了 As4/Mn流量比、平均沉積厚度(由生 長時間控制)等因素對于MnAs納米線樣品的影響。圖3(a)是在550°C、平均沉積厚度為 1. 8nm，而As4/Mn流量比為20的條件下，得到的MnAs納米線樣品，顯然樣品中納米線的尺寸 及長寬比都不及在As4/Mn流量比為80條件下的MnAs納米線(圖1(c))。圖3 (b)則表明， 較少的沉積量也不利于得到大尺寸及大長寬比的MnAs納米線樣品；而過量的MnAs沉積則 不僅使得得到的MnAs超出納米尺度范疇，而且會改變MnAs的自發(fā)排列，如圖3(c)、(d)所示。圖4是樣品的磁滯回線，其中圖4(a)對應于圖1(a)、(b)、(c)的納米線樣品；圖 4(b)對應于圖3(d)。磁滯回線測量中磁場分別沿著[110] GaAs (實心標志)和[ilO]GaAs (空心標志)。圖4的磁滯回線測量表明=MnAs納米線的自發(fā)取向將改變其原有的磁各向異 性，使其單軸各向異性的易軸沿著[110]GaAs(圖4(a))；而隨著MnAs尺度超出納米范疇， 自發(fā)排列的改變將減弱樣品的單軸各向異性(圖4(b))。綜上，

通過生長溫度、As4/Mn流量比、平均沉積厚度等生長條件的有效控 制，能夠得到高長寬比、單軸磁各向異性明顯的MnAs納米線材料。本發(fā)明的MnAs納米線的制備方法，包括以下步驟1、首先完成MBE設備的各項生長準備程序確認系統(tǒng)中安裝有Mn、Ga、AS源；在超 凈間將GaAs(OOl)單晶襯底切割并用化粘附于樣品臺上；在進出腔中對于襯底及樣品臺進 行去水氣烘烤，在緩沖腔中對于襯底及樣品臺進行去有機雜質的烘烤；用液氮冷卻生長腔， 以提高背景真空度至5X10_1(lTorr以下。2、在生長腔中將生長溫度提升至GaAs (001)單晶去氧化溫度以上20°C，外延生 長200nm及以上厚度的GaAs高溫緩沖層，以提高異質生長的界面質量；在450_550°C，生 長MnAs納米線，生長過程中保持生長腔中As4/Mn流量比在20及以上，平均沉積厚度在 0.4-3nm。3、沉積結束后將襯底溫度降至300°C，在生長腔真空度降至5X KTltlT0rr以下后， 將樣品連同樣品臺自緩沖腔和進出腔取出，并從樣品臺上取下。4、利用AFM、SEM等對制備的MnAs/GaAs (001)異質外延材料進行表面形貌表征，確 保獲得的材料為納米線。工藝成熟時，該步驟可省略。下面結合實施例對本發(fā)明的MnAs納米線及其制備方法做進一步詳細的描述。
實施例1 1、首先確認MBE系統(tǒng)中至少分別裝有高純Mn源、( 源、As源(純度高于 99.999%)。完成MBE設備的各項生長準備程序將超凈間中將GaAs(OOl)單晶襯底按照 需求切割并用熔融的化粘附于樣品臺上；將襯底連同樣品臺置入樣品進出腔，并對襯底及 樣品臺進行去水氣烘烤；將襯底連同樣品臺轉移至緩沖腔，并對襯底及樣品臺進行去有機 雜質的烘烤；用液氮冷卻生長腔，以提高背景真空度至2X 10_1(lTorr以下。2、將襯底連同樣品臺轉移至生長腔，將生長溫度提升至GaAs (001)單晶襯底去氧 化溫度以上20°C，外延生長250nm的GaAs高溫緩沖層；將生長溫度降至450°C，生長MnAs 納米線，生長過程中保持生長腔中As4/Mn流量比為80，平均沉積厚度在1. 8nm。3、沉積結束后將襯底溫度降至300°C，在生長腔真空度降至5 X KTltlT0rr以下后， 將樣品連同樣品臺自緩沖腔和進出腔取出，并從樣品臺上取下。4、利用AFM對樣品的形貌進行表征，結果如圖1 (a)所示；利用超導量子干涉磁性 測量儀(SQUID)測量了樣品的磁滯回線，結果如圖4(a)所示。實施例2 在步驟2中將生長溫度控制為500°C，其余步驟同實施例1。樣品的形貌特征如圖 1(b)所示，磁滯回線如圖4(a)所示。實施例3 在步驟2中將生長溫度控制為550°C，其余步驟同實施例1。樣品的形貌特征如圖 1(c)、(e)所示，XRD測量結果如圖3所示，磁滯回線如圖4(a)所示。實施例4 在步驟2中將生長溫度控制為550°C，生長過程中Α ^/Μη流量比控制為20，其余 步驟同實施例1。樣品的形貌特征如圖3(a)所示。實施例5 在步驟2中將生長溫度控制為550°C，生長過程中通過控制沉積時間將平均沉積 厚度控制在0. 45nm，其余步驟同實施例1。樣品的形貌特征如圖3 (b)所示。
權利要求
1.一種MnAs納米線，其特征在于90%以上的納米線沿[110]GaAs晶向排列，晶向對應 關系滿足[il01]MnAs||
GaAs，[li02]MnAs||[110]GaAs，且[Π20] MnAs||[hO]GaAs,其外延生長于GaAs(OOl)單晶襯底上，橫躺與GaAs(OOl)單晶表面，具有六角密堆晶體結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的MnAs納米線，其特征在于具有沿著排列方向即[110]GaAs晶 向的磁各向異性。
3.一種MnAs納米線的制備方法，其特征在于步驟如下(1)完成分子束外延設備/系統(tǒng)的各項生長準備程序確認系統(tǒng)中安裝有Mn、Ga、As 源；在超凈間將GaAs (001)單晶襯底切割并用化粘附于樣品臺上；在進出腔中對于襯底及 樣品臺進行去水氣烘烤，在緩沖腔中對于襯底及樣品臺進行去有機雜質的烘烤；用液氮冷 卻生長腔，以提高背景真空度；(2)在生長腔中外延生長GaAs(001)高溫緩沖層，以提高異質生長的界面質量；然后在 設定生長溫度生長MnAs納米線；(3)生長結束后將襯底降溫，將樣品連同樣品臺自緩沖腔和進出腔取出，并從樣品臺上 取下。
4.根據(jù)權利要求3所述的MnAs納米線的制備方法，其特征在于步驟O)中外延生長 的GaAs (001)高溫緩沖層的生長溫度為GaAs (001)單晶去氧化溫度以上20°C ；厚度為200nm 以上。
5.根據(jù)權利要求3所述的MnAs納米線的制備方法，其特征在于步驟(2)中MnAs納 米線的生長溫度為450-550°C ；MnAs納米線生長過程中生長腔中As4/Mn流量比為20及以 上；MnAs納米線的平均沉積厚度為0. 4-3nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種MnAs納米線及其制備方法，90％以上的納米線沿[110]GaAs晶向排列，晶向對應關系滿足且其外延生長于GaAs(001)單晶襯底上，橫躺與GaAs(001)單晶表面，具有六角密堆晶體結構。本發(fā)明的利用分子束外延技術與設備，以GaAs(001)單晶為襯底，提高生長溫度至450-550℃實現(xiàn)S-K生長模式，確保As4/Mn的流量比在20及以上、控制平均沉積厚度在0.4-3nm，得到外延且橫躺GaAs(001)表面的MnAs納米線。
文檔編號C30B29/62GK102080258SQ20101056505
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權日2010年11月30日
發(fā)明者徐鋒, 李永勝, 杜宇雷, 陳 光 申請人:無錫南理工科技發(fā)展有限公司