專利名稱：一種大磁電阻效應(yīng)Fe-Ti-O非晶態(tài)薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明半導(dǎo)體材料制備技術(shù)，特別是一種大磁電阻效應(yīng)!^e-Ti-O非晶態(tài)薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
1988年在i^e/Cr磁性多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)(Giant Magnetoresistance， GMR)，此工作獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，在非均勻磁性體系(多層膜，顆粒膜，隧道結(jié)等)中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多新穎的物理現(xiàn)象，如遂穿型磁電阻(Tunnel Magnetoresistance, TMR)、巨霍耳效應(yīng)、高矯頑力、高頻軟磁性等。因此，非均勻磁性體系中的自旋相關(guān)電子輸運(yùn)特性和磁性質(zhì)的研究成為近年來材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域最為活躍的研究課題之一。非均勻磁性體系，如反鐵磁耦合的磁性多層膜、磁性金屬-非磁性金屬、磁性金屬-絕緣體顆粒薄膜系統(tǒng)和磁性隧道結(jié)中的巨磁電阻效應(yīng)(Giant Magnetoresistance, GMR)研究已經(jīng)逐漸形成了一個(gè)新興的交叉學(xué)科-自旋電子學(xué)(Spintronics)。自旋電子學(xué)通過將電子自旋存在兩個(gè)不同狀態(tài)(上和下)的性質(zhì)應(yīng)用于信息處理中，與使用正負(fù)電荷的現(xiàn)有信息處理相比，有望實(shí)現(xiàn)集成度高、耗電量低、處理速度高的電子元件。自旋電子學(xué)材料和器件的研究大致分為三個(gè)階段，即以磁性多層膜、顆粒膜、隧道結(jié)和自旋閥為代表的 GMR和TMR磁電阻效應(yīng)及其器件的研究；以磁性半導(dǎo)體和稀磁半導(dǎo)體中自旋相關(guān)輸運(yùn)性能為對象的研究階段；和以制備自旋電子學(xué)器件為目標(biāo)的應(yīng)用研究階段。田玉峰等人在Co-ZnO納米顆粒薄膜中觀察到低溫(5K)大的正磁電阻效應(yīng)，最大值可達(dá)811%，并且磁電阻的值與薄膜中Co的含量密切相關(guān)，他們認(rèn)為正磁電阻效應(yīng)的出現(xiàn)與自旋塞曼效應(yīng)對自旋相關(guān)可變程躍遷抑制有關(guān)[ApplW!ySLett92 (2008) 192109.]。德國研究小組在3d金屬摻雜的ZnO薄膜中在漲時(shí)發(fā)現(xiàn)31%的正磁電阻[Thin Solid Films, 2006,515 :2549.]。日本東北大學(xué)科研小組在Co_C60復(fù)合薄膜中發(fā)現(xiàn)了低溫大磁電阻現(xiàn)象，在適當(dāng)?shù)碾娏飨伦畲罂梢赃_(dá)到85% [Appl Phys Lett，2006，89 113118.]。山東大學(xué)物理系的劉宜華教授在I^e-In2O3顆粒薄膜中發(fā)現(xiàn)了磁電阻的顯著增強(qiáng)效應(yīng)[JPhys =Condens Matter, 2003,15 47. J0這些新體系中的磁電阻效應(yīng)將成為新型自旋電子學(xué)器件的候選材料。然而，這些磁性金屬元素-半導(dǎo)體體系中磁電阻效應(yīng)及其變化規(guī)律的物理機(jī)制仍然不清楚，需要系統(tǒng)的深入研究來解明其微觀物理機(jī)制，為其在自旋電子學(xué)器件的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)豐富人們對磁電阻效應(yīng)的理解。在前人的研究中并沒有給出磁性金屬元素?fù)诫s二氧化鈦薄膜磁電阻效應(yīng)的研究結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)分析，提供一種大磁電阻效應(yīng)!^e-Ti-O非晶態(tài)薄膜的制備方法，該工藝方法工藝簡單、易于實(shí)施，制得的薄膜具有較高的室溫磁電阻效應(yīng)；生產(chǎn)成本低，適于大規(guī)模推廣應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案
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—種大磁電阻效應(yīng)!^e-Ti-O非晶態(tài)薄膜的制備方法，采用超高真空三靶共沉積磁控濺射鍍膜機(jī)制備，本步驟如下1)在鍍膜機(jī)的靶頭上分別安裝一個(gè)Ti靶和!^e靶；2)將玻璃基底表面雜質(zhì)清除后，安裝基底架上，基片在上方，靶在下方，基片與靶的距離為13cm ；3)開啟磁控濺射設(shè)備，先后啟動(dòng)一級(jí)機(jī)械泵和二級(jí)分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度大于8. 5 X 10_6Pa;4)向真空室通入A和Ar的混合氣體，使得真空室中的真空度為IPa ；5)開啟濺射直流電源，分別在Ti靶狗靶上施加電流和電壓，預(yù)濺射20分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；6)打開基片的擋板，同時(shí)以每分鐘2轉(zhuǎn)的速率轉(zhuǎn)動(dòng)基片架，在基片上生長鐵摻雜
二氧化鈦非晶態(tài)薄膜；7)生長薄膜15分鐘后，關(guān)閉基片的擋板，基片架停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后關(guān)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(shí)后關(guān)閉真空系統(tǒng)，然后向真空室充入純度為 99. 999%的氮?dú)猓钡秸婵帐业臍鈮号c外面大氣壓相同時(shí)，打開真空室取出制得的目標(biāo)產(chǎn)
P
ΡΠ O所述Ti靶和!^e靶的純度均為99. 99%,Ti靶的厚度為4mm，！^靶的厚度為2. 5mm, Ti靶和!^e靶的直徑均為60mm。所述A和Ar混合氣體中，A和Ar的純度均為99. 999%，其中仏的流量為3sCCm， Ar的流量為lOOsccm。所述濺射直流電源在Ti靶上施加0. 4A的電流和340V的電壓，在!^e靶上施加0. 3A 的電流和320V的電壓。本發(fā)明所涉及的一種大磁電阻效應(yīng)!^e-Ti-O非晶態(tài)薄膜的制備方法具有與現(xiàn)有工業(yè)化生產(chǎn)兼容、靶材選擇和制備條件簡單等優(yōu)點(diǎn)，在各種電子學(xué)器件的制備上具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。與其它制備薄膜的方法相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明采用濺射法制備了具有大的室溫磁電阻效應(yīng)的Fe-Ti-O非晶態(tài)薄膜，與常用的脈沖激光沉積法和有機(jī)物金屬化學(xué)氣相沉積法相比，在工業(yè)化生產(chǎn)上具有明顯成本和技術(shù)優(yōu)勢；2)工藝條件簡單，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(shí)現(xiàn)，不僅從工業(yè)上更為容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)應(yīng)用范圍亦較廣；3)薄膜具有較高的室溫磁電阻效應(yīng)。


圖1為本發(fā)明制備的!^e-Ti-O非晶態(tài)薄膜的高分辨率透射電子顯微鏡明場圖像。圖2為本發(fā)明制備的!^e-Ti-O非晶態(tài)薄膜的電阻隨溫度的變化關(guān)系曲線。圖3為本發(fā)明制備的!^e-Ti-O復(fù)合薄膜的磁電阻隨外加磁場和溫度的變化關(guān)系曲線(磁場垂直膜面)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例根據(jù)我們對本發(fā)明中所制備的樣品進(jìn)行的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分析，下面將具有大的室溫磁電阻效應(yīng)的鐵摻雜二氧化鈦非晶態(tài)薄膜制備的最佳實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)地說明，實(shí)施例中用到的磁控濺射設(shè)備是采用中科院沈陽科學(xué)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(jī)。一種大磁電阻效應(yīng)!^e-Ti-O非晶態(tài)薄膜的制備方法，本步驟如下1)在鍍膜機(jī)的靶頭上分別安裝一個(gè)純度為99. 99%的Ti靶和99. 99%的！^靶，靶材的厚度分別為4mm和2. 5mm,直徑為60mm ；2)采用超聲波對玻璃基底表面雜質(zhì)清除后，將基底安裝基底架上，基片在上方，靶在下方，基片與靶的距離為13cm ；3)開啟磁控濺射設(shè)備，先后啟動(dòng)一級(jí)機(jī)械泵和二級(jí)分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度大于8. 5 X 10_6Pa;4)向真空室通入純度為99. 999%的仏和99. 999%的Ar的混合氣體，使得真空室中的真空度為lPa，其中&的流量為3SCCm，Ar的流量為lOOsccm ；5)開啟濺射直流電源，分別在Ti靶上施加0. 4A的電流和340V的電壓，在!^e靶上施加0. 3A的電流和320V的電壓，預(yù)濺射20分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；6)打開基片的擋板，同時(shí)以每分鐘2轉(zhuǎn)的速率轉(zhuǎn)動(dòng)基片架，在基片上生長鐵摻雜二氧化鈦非晶態(tài)薄膜；7)生長薄膜15分鐘后，關(guān)閉基片的擋板、基片架轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，然后關(guān)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(shí)后關(guān)閉真空系統(tǒng)，向真空室充入純度為 99. 999%的氮?dú)猓钡秸婵帐业臍鈮号c外面大氣壓相同時(shí)，打開真空室取出樣品即可。為確認(rèn)本發(fā)明最佳的實(shí)施方案，我們對本發(fā)明制備的薄膜進(jìn)行了原子力顯微鏡、 電阻隨溫度變化關(guān)系以及磁電阻隨外加磁場的變化關(guān)系的分析。圖1為本發(fā)明制備的!^e-Ti-O非晶態(tài)薄膜的高分辨率透射電子顯微鏡明場圖像。 從圖中可以看出，樣品為無序的非晶態(tài)，并沒有出現(xiàn)長程有序性。圖2為本發(fā)明制備的!^e-Ti-O非晶態(tài)薄膜的電阻隨溫度的變化關(guān)系曲線。從圖中可以看出，樣品的電阻隨著溫度的降低升高，表現(xiàn)為半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。圖3為本發(fā)明制備的!^e-Ti-O復(fù)合薄膜的磁電阻隨外加磁場和溫度的變化關(guān)系曲線(磁場垂直膜面)。從圖中可以看出，樣品在I下的磁電阻值大于30%，在300K時(shí)磁電阻約為8%。
權(quán)利要求
1.一種大磁電阻效應(yīng)i^e-Ti-O非晶態(tài)薄膜的制備方法，其特征在于采用超高真空三靶共沉積磁控濺射鍍膜機(jī)制備，本步驟如下1)在鍍膜機(jī)的靶頭上分別安裝一個(gè)Ti靶和狗靶；2)將玻璃基底表面雜質(zhì)清除后，安裝基底架上，基片在上方，靶在下方，基片與靶的距離為13 cm ；3)開啟磁控濺射設(shè)備，先后啟動(dòng)一級(jí)機(jī)械泵和二級(jí)分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度大于8. 5X10 — 6 Pa ；4)向真空室通入&和Ar的混合氣體，使得真空室中的真空度為11 ；5)開啟濺射直流電源，分別在Ti靶!^e靶上施加電流和電壓，預(yù)濺射20分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；6)打開基片的擋板，同時(shí)以每分鐘2轉(zhuǎn)的速率轉(zhuǎn)動(dòng)基片架，在基片上生長鐵摻雜二氧化鈦非晶態(tài)薄膜；7)生長薄膜15分鐘后，關(guān)閉基片的擋板，基片架停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后關(guān)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(shí)后關(guān)閉真空系統(tǒng)，然后向真空室充入純度為 99. 999%的氮?dú)猓钡秸婵帐业臍鈮号c外面大氣壓相同時(shí)，打開真空室取出制得的目標(biāo)產(chǎn)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述大磁電阻效應(yīng) ^-Ti-O非晶態(tài)薄膜的制備方法，其特征在于 所述Ti靶和！^靶的純度均為99. 99%，Ti靶的厚度為4 mm, Fe靶的厚度為2. 5 mm, Ti靶和靶的直徑均為60 mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述大磁電阻效應(yīng) ^-Ti-O非晶態(tài)薄膜的制備方法，其特征在于 所述化和Ar混合氣體中，&和Ar的純度均為99. 999%，其中仏的流量為3sCCm，Ar的流量為 100 seem。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述大磁電阻效應(yīng) ^-Ti-O非晶態(tài)薄膜的制備方法，其特征在于 所述濺射直流電源在Ti靶上施加0. 4 A的電流和340 V的電壓，在!^e靶上施加0. 3 A的電流和320 V的電壓。
全文摘要
一種大磁電阻效應(yīng)Fe-Ti-O非晶態(tài)薄膜的制備方法，采用超高真空三靶共沉積磁控濺射鍍膜機(jī)制備，本步驟如下1)在鍍膜機(jī)的靶頭上分別安裝一個(gè)Ti靶和Fe靶；2)將玻璃基底安裝基底架上；3)開啟磁控濺射設(shè)備給濺射室抽真空；4)向真空室通入O2和Ar的混合氣體，使得真空室中的真空度為1Pa；5)開啟濺射直流電源，分別在Ti靶Fe靶上施加電流和電壓；6)打開基片的擋板，轉(zhuǎn)動(dòng)基片架，在基片上生長薄膜；7)濺射完成后，向真空室充入氮?dú)猓纯芍频玫哪繕?biāo)產(chǎn)品。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該工藝方法工藝簡單、易于實(shí)施，制得的薄膜具有較高的室溫磁電阻效應(yīng)；生產(chǎn)成本低，適于大規(guī)模推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)C23C14/35GK102345104SQ201110287569
公開日2012年2月8日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者楊保和, 王曉姹, 陳希明 申請人:天津理工大學(xué)