本發明涉及一種二元合金材料，特別涉及一種Cr-Al二元合金材料及其制備方法。

背景技術：

自旋電子學是物理學中的一個新興的交叉學科，因其在磁電阻傳感器、磁頭讀出及信息存儲等領域顯示出廣闊的應用前景而備受關注。不同于傳統的電子學，它不僅利用電子的電荷屬性同時也利用電子的自旋屬性作為信息的載體。在現代自旋電子學的研究中，電子的自旋作為傳遞和處理信息的載體，極大的提高了電子器件的性能，有效的降低了器件的功耗。利用電子自旋屬性是未來新一代電子器件的核心特點，而開發薄膜化高自旋極化材料及其工藝則是自旋電子學器件研究的關鍵基礎問題。

大量的半金屬(half-metal,自旋極化率達到100％的材料)和高自旋極化率材料都是在Heusler合金中發現的。而半金屬性或者高自旋極化率特性的產生都與Heusler合金中三種金屬元素的高度有序排列密切相關。人們對高自旋極化Heusler合金研究結果表明，大約5％的反占位缺陷就能夠導致材料高自旋極化率的喪失。而材料中的原子占位情況又與材料的具體制備方法有密切關系。所以，即使是成分相同的材料，如若我們采用不同的制備方法或者不同的熱處理工藝，也會得到有序度完全不同的材料，對其電子結構、磁性和輸運性質等產生巨大影響。到目前為止，大多數高自旋極化率材料都是由三種元素構成的金屬間化合物，而由于構成元素種類較多，且其中往往具有特性相似的金屬元素組成，這就造成了合金中極易發生反占位缺陷進而降低極化率的先天不足。而在二元合金中，由于元素種類只有兩種，而且是有一種過渡族元素和另外一種主族金屬組成，元素屬性差別也較大。這就在先天上決定了，二元合金中發生反占位的幾率要遠遠低于三元Heusler合金。然而，也正是組成二元合金的元素只有兩種，到目前為止，開發出來的高自旋極化率材料也很少。其中具有DO3結構的Cr3Al合金，就是人們在理論上預測的為數不多的二元高自旋極化率材料之一。

Cr-Al合金在1963年就已經開始被Koster等人研究，并繪制出了Cr1-XAlX合金相圖，并且提出有序的Cr1-xAlx(x＝0.19-0.26)是存在的，因為在x處展現出了非線性的磁化率關系，但是在XRD上并沒有給出足夠的證據。在1981年，Den Broeder等人在低于400℃的溫度下利用透射電子顯微鏡觀察到了額外的衍射點，被解釋為超晶格點，這個有序相被稱為X相。但是根據暗場成像的原理，這種X相是短程有序，而不是長程有序。到了2012年，Z.Boekelheide等人利用電子束蒸發獲得了具有立方結構的Cr3Al薄膜，低于400℃時合成的薄膜是X相結構，高于400℃時是C11b結構。

也就是說，到目前為止，不論是在Cr3Al塊材還是低維材料，人們仍舊沒有成功合成具有DO3結構的Cr3Al合金。雖然Z.Boekelheide等人利用電子束沉積合成的是與DO3結構接近的立方結構，但是其原子有序度和和有序方式與DO3結構截然不同，材料自旋極化率也與理論預計DO3結構Cr3Al合金的自旋極化率相去甚遠，也就是說材料根本不能體現出理論預計的最重要的高自旋極化特征。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種Cr-Al二元合金材料及其制備方法，通過提高沉積粒子能量，進行“強制高有序”亞穩態結構薄膜制備的技術思路，利用磁控濺射增強沉積粒子能量的方法制備Cr_yAl薄膜，最終成功合成具有DO₃結構的Cr₃Al合金，并且制得了一系列的Cr_yAl單相薄膜。

本發明的Cr-Al二元合金材料，所述合金材料為長程有序的單相薄膜，其化學式為：Cr_yAl，其中，2.8≤y≤4.2；

進一步，y＝2.90-3.05時，Cr_yAl合金為具有高自旋極化率的磁性合金材料。

進一步，y＝3時，Cr_yAl是具有高自旋極化率的DO₃結構；

進一步，所述Cr_yAl的自旋極化率可達85-100％；

進一步，所述Cr_yAl經磁控濺射合成。

本發明還公開一種Cr-Al二元合金材料的制備方法，利用三靶超高真空磁控濺射的方法，通過調節濺射功率、襯底溫度和氬氣流量獲得了Cr_yAl合金單相薄膜；

進一步，所述Cr靶濺射功率范圍為10-90W，Al靶濺射功率范圍為10-50W；

進一步，所述襯底溫度為100-400℃，氬氣流量為30-70sccm；

進一步，通過調整Cr靶和Al靶的濺射功率比獲得Cr_yAl中y的不同取值；

進一步，通過提高沉積粒子的能量，使Al原子能夠更為均勻的分散在立方結構中，強制Cr₃Al形成高有序的DO₃亞穩態，最終合成具有DO₃結構的Cr₃Al合金。

本發明的有益效果：本發明的與其他Cr-Al合金相比：

(1)目前發現的大多數高自旋極化率材料都集中于三元Heusler合金體系，并且，Heusler合金中往往具有兩種相近的過渡族元素，極易造成反占位缺陷進而降低自旋極化率。針對這種問題，本發明選擇了具有高自旋極化的二元合金Cr₃Al作為合成材料。因為高自旋極化二元合金在先天上有利于降低反占位缺陷的發生，維持高自旋極化率，故具有DO₃結構的Cr₃Al是理論預測的為數不多的二元高自旋極化材料之一。

(2)不論是在Cr3Al塊材還是低維材料，人們仍舊沒有成功合成具有DO₃結構的Cr₃Al合金。主要原因是Al原子在立方結構中分布不均勻化，而DO₃結構則是Al原子最為均勻化的一種體現。針對這一問題，本發明提出通過提高沉積粒子的能量，使Al原子能夠更為均勻的分散在立方結構中，強制“Cr₃Al形成高有序的DO₃亞穩態”，最終成功合成具有DO₃結構的Cr₃Al合金。

(3)Cr-Al合金在1963年就已經開始被Koster等人研究，但是Cr_1-xAl_x(x＝0.19-0.26)是短程有序，長程無序。而我們合成的Cr_1-xAl_x(x＝0.19-0.26)合金從XRD上表明合成的薄膜為單相。

(4)本發明材料的Cr₃Al合金是具有高自旋極化率的DO₃結構，其自旋極化率可達到98％。

(5)本發明材料Cr_1-xAl_x(x＝0.19-0.26)是具有長程有序的單相薄膜。

(6)只要控制好功率比，在適當的功率范圍內Cr_1-xAl_x(x＝0.19-0.26)都是具有長程有序的單相薄膜。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是實施例1得到的Cr₃Al合金薄膜的XRD曲線。

圖2是實施例3得到的Cr_2.95Al合金薄膜的XRD曲線。

圖3是實施例6得到的Cr_2.0Al合金薄膜的XRD曲線。

圖4是實施例8得到的Cr_3.79Al合金薄膜的XRD曲線。

圖5是實施例11得到的Cr_4.2Al合金薄膜的XRD曲線。

具體實施方式

實施例一

通過調節功率比制備具有高自旋極化的DO₃結構的Cr₃Al材料。

采用三靶超高真空磁控濺射裝置制備Cr₃Al合金，為了獲得Cr₃Al的比例，通過調節功率比來實現，具體工藝如下：

第一步，處理基片

選取2.24×1.5mm²的玻璃基片，依次在丙酮、酒精、去離子水中超聲，然后用氬氣吹干。將基片放在電子稱上稱量其質量，并記下示數數m₀。再將基片固定到襯底托上，放置到腔體內。兩個直流靶上分別安裝上Cr靶和Al靶。

第二步，抽真空

(1)打開冷卻水開關，冷卻水的出口溫度穩定在25±10℃范圍內。

(2)打開A柜總控制電源。

(3)開機械泵，打開旁抽角閥，開真空計電源，用機械泵抽至腔體內的壓強為5.0Pa左右時關閉旁抽角閥，并打開電磁閥，開閘板閥。當腔體內的壓強達到3.0×10-3Pa時對腔體進行烘烤，為了達到更好更快的達到理想的真空度。30分鐘之后關掉烘烤，對腔體繼續抽真空，直至腔體壓強達到5.0×10^-3Pa左右。

第三步，襯底加熱

旋轉加熱電流旋鈕，指針指向0.7A，使襯底加熱至100℃。

第四步，通氬氣

當襯底溫度達到100℃時，關閉高真空顯示計，然后打開V₃和V₈。開氬氣瓶總閥，閘板閥往下降一半，防止更多的氬氣被抽走。開氣體流量計電源，調節氬氣流量為30-70sccm。通過調節閘板閥使低壓真空顯示計示數為5.0Pa。

第五步,直流濺射

(1)打開B柜總控制電源。

(2)打開B柜中相對應靶位直流濺射電源，調節功率使靶上方氬氣電離啟輝。再次通過調節閘板閥使低壓真空顯示計示數為0.5Pa，即為工作壓強。

(3)旋轉功率調節旋鈕，使Cr靶濺射功率達到60.45W，Al靶濺射功率達到38.24W，待板壓和板流穩定后，開旋轉襯底按鈕，轉動擋板，開始濺射并計時，濺射時間為30分鐘。

(4)濺射完畢后，轉動擋板回歸原位，停止襯底旋轉，將功率調節旋鈕逆時針調到最小，按下停止按鈕。

(5)關閉B柜總控制電源。

第六步，關閉氬氣

(1)關閉V₃和V₈，關閉氬氣瓶總閥，再將MFC1打到關閉，待流量計顯示為0后關閉流量計電源。開大閘板閥，讓分子泵將真空室抽至高真空。

第七步，關機

(1)待真空室抽到高真空(10-5Pa)，關閉閘板閥。

(2)關閉真空顯示計。

(3)按下分子泵停止按鈕，分子泵減速，當頻率顯示為0時，關閉電磁閥。按機械泵按鈕，停止機械泵。

(4)關閉A柜總控制電源

(5)關閉循環水。

第八步，薄膜稱量

(1)打開放氣閥，使真空室和外界壓強相等后，關閉放氣閥。

(2)打開循環水和A柜總控制電源，按下升按鈕，升按鈕，升起真空室蓋到適當高度。

(3)取下樣品托，用螺絲刀擰開螺絲，取出樣品。

(4)將取出的樣品放在電子稱上稱量，得質量為m₁，故可以得到薄膜的質量為m＝m₁-m₀。

采用上述方法獲得的材料為Cr₃Al薄膜，其結構為DO₃結構，并且具有97％的高自旋極化率，測得的測距為3μ_B。

實施例二

通過調節功率比制備具有高自旋極化的Cr_2.90Al材料。

與實施例1不同之處是：Cr靶濺射功率為58.51W，Al靶濺射功率達到38.24W，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_2.90Al合金薄膜，測量其自旋極化率和飽和磁化強度分別為85％和5.0μ_B。

實施例三

通過調節功率比制備具有高自旋極化的Cr_2.95Al材料。

與實施例1不同之處是：Cr靶濺射功率為59.65W，Al靶濺射功率達到38.24W，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_2.95Al合金薄膜，測量其自旋極化率和飽和磁化強度分別為91％和4.2μ_B。

實施例四

通過調節功率比制備具有高自旋極化的Cr_3.05Al材料。

與實施例1不同之處是：Cr靶濺射功率為61.15W，Al靶濺射功率達到38.24W，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_2.95Al合金薄膜，測量其自旋極化率和飽和磁化強度分別為91％和4.2μ_B。

實施例五

通過調節功率比制備具有高自旋極化的Cr_3.10Al材料。

與實施例1不同之處是：Cr靶濺射功率為62.33W，Al靶濺射功率達到38.24W，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_3.10Al合金薄膜，測量其自旋極化率和飽和磁化強度分別為80％和2.34μ_B。

實施例六

通過調節功率比制備Cr_2.80Al材料。

與實施例1不同之處是：Cr靶濺射功率為52.13W，Al靶濺射功率達到38.24W，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_2.80Al合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相。

實施例七

通過調節功率比制備Cr_3.5Al材料。

與實施例1不同之處是：Cr靶濺射功率為W，Al靶濺射功率達到38.24W，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_3.5Al合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相。

實施例八

通過調節功率比制備Cr_4.0Al材料。

與實施例1不同之處是：Cr靶濺射功率為50.08W，Al靶濺射功率達到38.24W，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_4.0Al合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相。

實施例九

通過調節功率比制備Cr_4.2Al材料。

與實施例1不同之處是：Cr靶濺射功率為50.08W，Al靶濺射功率達到38.24W，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_4.2Al合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相。

實施例十

通過調節功率比制備具有高自旋極化的Cr_3.0Al材料。

與實施例1不同之處是：Cr靶濺射功率為15.81W，Al靶濺射功率達到10W，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_3.0Al合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相。

實施例十一

通過調節功率比制備具有高自旋極化的Cr_3.0Al材料。

與實施例1不同之處是：Cr靶濺射功率為31.62W，Al靶濺射功率達到20W，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_3.0Al合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相。

實施例十二

通過調節功率比制備具有高自旋極化的Cr_3.0Al材料。

與實施例1不同之處是：Cr靶濺射功率為49.84W，Al靶濺射功率達到31.53W，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_3.0Al合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相。

實施例十三

通過調節功率比制備具有高自旋極化的Cr_3.0Al材料。

與實施例1不同之處是：Cr靶濺射功率為79.45W，Al靶濺射功率達到50.26W，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_3.0Al合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相。

實施例十四

通過調節功率比制備Cr_yAl(y＝3.0除外)材料。

與實施例1-9不同之處是：同時調節Cr靶和Al靶，但是其功率比不變，Al靶功率變化范圍為10-55W，就如實施例10-13，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_yAl合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相。

實施例十五

通過調節功率比制備具有高自旋極化的Cr_3.0Al材料。

與實施例1不同之處是：襯底溫度為200℃.

采用此方法獲得了Cr_3.0Al合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相，只是形貌上有些許變化。

實施例十六

通過調節功率比制備具有高自旋極化的Cr_3.0Al材料。

與實施例1不同之處是：襯底溫度為300℃.

采用此方法獲得了Cr_3.0Al合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相，只是形貌上有些許變化。

實施例十七

通過調節功率比制備具有高自旋極化的Cr_3.0Al材料。

與實施例1不同之處是：襯底溫度為400℃

采用此方法獲得了Cr_3.0Al合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相，只是形貌上有些許變化。

實施例十八

通過調節功率比制備Cr_yAl(y＝3.0除外)材料。

與實施例1-9不同之處是：保持功率不變，襯底溫度變化范圍為200-400℃，就如實施例15-17，其他工藝同實施例1。

采用此方法獲得了Cr_3.0Al合金薄膜，從XRD可以表明合成的薄膜為單相。

上述所有實施例中所用的材料均通過商購獲得，所涉及的設備和磁控濺射操作方法是本技術領域的技術人員所熟知的。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。