本發明屬于磁性材料領域，特別涉及用于磁存儲器件以及各類傳感器的一種磁控共濺射制備面內磁化哈斯勒合金薄膜的方法。

背景技術：

在傳統的微電子學中，傳統的電子學器件通常是利用電子的電荷特性，是不考慮電子的自旋狀態的。但是隨著計算機科學的飛速發展，計算機芯片的體積的要求在不斷地減小，而存儲容量的要求也在不斷地擴大，基于電子的電荷特性的傳統電子學己不能滿足科學發展和人類的要求。在科學與需求的推動下，電子的自旋特性被科學家和研究者們關注并加以利用來進一步地提高信息處理的速度和存儲密度。在這樣的背景下，一門新的學科一自旋電子學誕生了。自旋電子器件由于對電子的自旋特性加以了利用，大大地提高了電子器件的使用性能，這類器件有著非易失性、數據處理速度快、能耗低和集成度高的優質特性。盡管自旋電子器件有著如此多的高性能，但是在實際的材料需求上有著較高的要求，它要求材料具有高自旋極化率，即在費米能級附近分別具有自旋向上和自旋向下的電子數目不平衡，且越不平衡越有好。

Heusler（哈斯勒） 合金是一種高度有序的具有體心立方結構的金屬間化合物，一般分為Full-Heusler 和 Half-Heusler 兩種合金，化學通式分別為 X₂YZ 與 XYZ，其中 X 和Y 代表不同的過渡族金屬元素，Z 代表 sp （第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ主族）元素。

目前 Heusler 合金的研究結果表明，Heusler 合金具有的復雜的能帶結構是由即有局域的 d電子軌道的過渡族元素又有非局域的sp電子軌道的主族元素組合而成的。同時，又由于 Heusler 合金的原子占位與其物理特性密切相關，使同樣成分的合金經過不同的制備方式和熱處理過程均會影響到晶體結構和原子的有序度，進而調控其電子結構、磁性、相變等。這些因素使得 Heusler合金產生許多新功能材料，諸如鐵磁性形狀記憶合金與超彈性材料、巨磁電阻材料、超導材料、磁場驅動馬氏體相變材料、半金屬材料、熱電材料以及拓撲絕緣體等許多新功能材料。正是由于 Heusler 合金中蘊藏著如此多的性能，使其在新材料的開發中擁有巨大的應用價值和前景，并成為探索新型功能材料的重要領域之一；同時由于 Heusler合金的高有序結構，為我們能用第一性原理系統的計算研究其電子結構提供了極大地便利。

技術實現要素：

本發明是為了解決上述哈斯勒合金制備方法的上述不足之處，提供一種磁控共濺射制備面內磁化哈斯勒合金薄膜的方法，利用Co靶、Mn靶和Al靶三靶共濺射，通過調節三靶的濺射功率很好的調整生長薄膜的厚度以及成分，從而控制薄膜的超導性能，獲得高居里溫度以及百分之百的自旋極化率的鐵磁性材料，使其在自旋閥和磁隧道結中作為鐵磁層應用時，提高器件的磁電阻效應，實現超高的磁存儲密度，

本發明的方法之一包括以下步驟：

1、采用SiO₂作為襯底材料，將襯底材料經過超聲波清洗處理后，通過傳樣品桿傳送入磁控濺射真空室中的樣品臺上；

2、將所需要的靶材放入磁控濺射真空室的靶位上；所述的靶材材料分別為純度≥99.999%的金屬材料X_、Y和Z；所述的金屬材料X為Cu、Ni或Co；所述的金屬材料Y為Fe、Cr或Mn，所述的金屬材料Z為Al、Si、Ge或B；

3、抽真空至磁控濺射室的真空度≤2×10^-5Pa；

4、通過磁控共濺射在襯底材料表面制備哈斯勒合金薄膜，工作氣體為純度≥99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.01~0.4Pa，沉積速率為5~10nm/min，靶材到襯底材料的距離為20~30cm，濺射時間設定5~10 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜。

本發明的方法之二包括以下步驟：

1、采用SiO₂作為襯底材料，將襯底材料經過超聲波清洗處理后，通過傳樣品桿傳送入磁控濺射真空室中的樣品臺上；

2、將所需要的靶材放入磁控濺射真空室的靶位上；所述的靶材材料分別為純度≥99.999%的金屬材料Cr、X、Y和Z；所述的金屬材料X為Cu、Ni或Co；所述的金屬材料Y為Fe、Cr或Mn，所述的金屬材料Z為Al、Si、Ge或B；

3、抽真空至磁控濺射室的真空度≤2×10^-5Pa；

4、通過磁控濺射在襯底材料表面制備哈斯勒合金薄膜，工作氣體為純度≥99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.01~0.4Pa，沉積速率為5~10nm/min，靶材到襯底材料的距離為20~30cm，濺射時間1~2 min，在襯底材料表面制成Cr膜；

5、通過磁控共濺射在襯底材料表面制備哈斯勒合金薄膜，工作氣體為純度≥99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.01~0.4Pa，沉積速率為5~10nm/min，靶材到襯底材料的距離為20~30cm，濺射時間5~10 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜。

上述的超聲波清洗處理的步驟為：將襯底材料按順序依次分別置于丙酮、乙醇和去離子水中，并用超聲波清洗，在每種液體中超聲清洗時間為15~20min，然后用氮氣吹干，在200±10℃條件下熱處理8~10min，使襯底材料表面殘留物去除。

上述兩種方法中，哈斯勒合金薄膜的成分為X₂YZ，厚度為48~56nm。

上述的方法之二中，Cr膜的厚度為9~12nm。

上述的SiO₂純度≥99.9%。

本發明的有益效果為：采用磁控共濺射方法，制備過程中通入高純氬氣，作用是Ar轟擊靶材，制備的高純薄膜平行于磁各向異性，其粗糙度以及矯頑力有明顯的變化，制備時間短，純度高，設備簡單，容易操作，成本低。

附圖說明

圖1為本發明實施例1制備的哈斯勒合金薄膜的結構示意圖；

圖2為本發明實施例1制備的哈斯勒合金薄膜的X-射線多晶衍射圖；

圖3為本發明實施例2制備的哈斯勒合金薄膜的結構示意圖；

圖4為本發明實施例2制備的哈斯勒合金薄膜的X-射線多晶衍射圖；

圖5為本發明實施例中不同基板溫度以及有無Cr膜的磁化曲線圖；

圖6為本發明實施例中不同基板溫度以及有無Cr膜的表面粗糙度曲線圖。

具體實施方式

本發明實施例中采用的純度≥99.999%的金屬材料（Cr、X、Y和Z）為市購產品。

本發明實施例中采用的X-射線多晶衍射設備型號為ULTIMA IV（日本）。

本發明實施例中測試磁化曲線采用的設備為振動樣品磁強計，型號為Lake Shore 7410 VSM。

本發明實施例中測試表面粗糙度采用原子力顯微鏡，型號為FM-Nanoview 6600。

本發明實施例中采用的襯底材料純度≥99.9%的SiO₂為市購產品。

本發明實施例中進行磁控濺射時，高純氬氣的流量30SCCM，樣品臺自轉速度為40rpm，濺射功率20 ~40W。

本發明實施例中采用的襯底材料規格為1cm×1cm。

本發明實施例中超聲波清洗處理的步驟為：將襯底材料按順序依次分別置于丙酮、乙醇和去離子水中，并用超聲波清洗，在每種液體中超聲清洗時間為15~20min，然后用氮氣吹干，在200±10℃條件下熱處理8~10min，使襯底材料表面殘留物去除。

實施例1

采用SiO₂作為襯底材料，將襯底材料經過超聲波清洗處理后，通過傳樣品桿傳送入磁控濺射真空室中的樣品臺上；

將所需要的靶材放入磁控濺射真空室的靶位上；所述的靶材材料分別為純度≥99.999%的金屬材料X_、Y和Z；所述的金屬材料X為Co；所述的金屬材料Y為Mn，所述的金屬材料Z為Al；

抽真空至磁控濺射室的真空度≤2×10^-5Pa；

通過磁控共濺射在襯底材料表面制備哈斯勒合金薄膜，工作氣體為純度≥99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.01Pa，沉積速率為5nm/min，靶材到襯底材料的距離為20cm，濺射時間設定10 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Co₂MnAl，厚度為50nm，結構如圖1所示，X-射線多晶衍射結果如圖2所示，磁化曲線如圖5所示，表面粗糙度曲線如圖6所示。

實施例2

采用SiO₂作為襯底材料，將襯底材料經過超聲波清洗處理后，通過傳樣品桿傳送入磁控濺射真空室中的樣品臺上；

將所需要的靶材放入磁控濺射真空室的靶位上；所述的靶材材料分別為純度≥99.999%的金屬材料Cr、X、Y和Z；所述的金屬材料X為Co；所述的金屬材料Y為Mn，所述的金屬材料Z為Al；

抽真空至磁控濺射室的真空度≤2×10^-5Pa；

通過磁控濺射在襯底材料表面制備哈斯勒合金薄膜，工作氣體為純度≥99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.01Pa，沉積速率為5nm/min，靶材到襯底材料的距離為20cm，濺射時間2 min，在襯底材料表面制成Cr膜，厚度為10nm；

通過磁控共濺射在襯底材料表面制備哈斯勒合金薄膜，工作氣體為純度≥99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.01Pa，沉積速率為5nm/min，靶材到襯底材料的距離為20cm，濺射時間10 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Co₂MnAl，厚度為50nm，結構如圖3所示，X-射線多晶衍射結果如圖4所示，磁化曲線如圖5所示，表面粗糙度曲線如圖6所示。

實施例3

方法同實施例1，不同點在于：

（1）金屬材料X為Ni；所述的金屬材料Y為Cr，所述的金屬材料Z為Si；

（2）濺射氣壓0.1Pa，沉積速率為6nm/min，靶材到襯底材料的距離為24cm，濺射時間設定8 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜,成分為Ni₂CrSi，厚度為48nm。

實施例4

方法同實施例1，不同點在于：

（1）金屬材料X為Cu；所述的金屬材料Y為Fe，所述的金屬材料Z為Ge；

（2）濺射氣壓0.2Pa，沉積速率為8nm/min，靶材到襯底材料的距離為28cm，濺射時間設定7min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Cu₂FeGe，厚度為56nm。

實施例5

方法同實施例2，不同點在于：

（1）金屬材料X為Ni；所述的金屬材料Y為Cr，所述的金屬材料Z為Si；

（2）濺射氣壓0.1Pa，沉積速率為6nm/min，靶材到襯底材料的距離為24cm，濺射時間1.5 min，在襯底材料表面制成Cr膜，厚度為9nm；

（3）濺射氣壓0.1Pa，沉積速率為6nm/min，靶材到襯底材料的距離為24cm，濺射時間8min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Ni₂CrSi，厚度為48nm。

實施例6

方法同實施例2，不同點在于：

（1）金屬材料X為Cu；所述的金屬材料Y為Fe，所述的金屬材料Z為Ge；

（2）濺射氣壓0.2Pa，沉積速率為8nm/min，靶材到襯底材料的距離為28cm，濺射時間1.5 min，在襯底材料表面制成Cr膜，厚度為12nm；

（3）濺射氣壓0.2Pa，沉積速率為8nm/min，靶材到襯底材料的距離為28cm，濺射時間7 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Cu₂FeGe，厚度為56nm。

實施例7

方法同實施例1，不同點在于：

（1）金屬材料X為Cu；所述的金屬材料Y為Mn，所述的金屬材料Z為B；

（2）濺射氣壓0.4Pa，沉積速率為10nm/min，靶材到襯底材料的距離為30cm，濺射時間設定5 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Cu₂MnB，厚度為50nm。

實施例8

方法同實施例2，不同點在于：

（1）金屬材料X為Cu；所述的金屬材料Y為Fe，所述的金屬材料Z為B；

（2）濺射氣壓0.4Pa，沉積速率為10nm/min，靶材到襯底材料的距離為30cm，濺射時間1 min，在襯底材料表面制成Cr膜，厚度為10nm；

（3）濺射氣壓0.4Pa，沉積速率為10nm/min，靶材到襯底材料的距離為30cm，濺射時間5min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Cu₂FeB，厚度為50nm。