本發明屬于材料領域。具體涉及一種n摻雜cro2外延薄膜及其制備方法。

背景技術：

近年來，自旋電子學是國際凝聚態物理和材料科學關注的焦點之一，引起了人們的廣泛的注意。作為最簡單的鐵磁性半金屬氧化物cro2是傳統的磁記錄材料，cro2經實驗證實具有接近100%的自旋極化率,而且cro2的居里溫度高達396k。因此，cro2被認為是極具開發潛力的、理想的自旋電子器件的電極材料之一。

cro2雖然是一種磁性能良好且應用廣泛的磁性材料，但常溫下處于亞穩態，熱穩定性差。目前最常用的是在o2的氛圍下制備cro2，但是其制備溫度只能是在390^oc附近，高于400^oc純的cro2材料就會開始分解，薄膜中開始出現cr2o3的雜相，低于380^oc時，氣氛里面的cro2無法在tio2基片上成膜或者成膜速率極其低下。最近新提出來的在ar為輸運氣體下制備cro2外延薄膜，但是他并沒有擴大其制備溫度區間和薄膜的熱穩定性，即使相對容易制備的cro2粉末，比如專利號為“cn101684002a”名稱為“一種制備納米二氧化鉻的方法”，他的制備溫度也僅僅在350~380^oc。目前公開的方法都只是如何制備高純度cro2材料，尚未有向cro2材料摻入n元素來改善其熱穩定性的具體制備方法。

技術實現要素：

本發明旨在克服現有技術缺陷，目的是提供一種操作簡單和能較快地進行產業化生產的n摻雜cro2外延薄膜的制備方法，用該方法制備的n摻雜cro2外延薄膜在cro2性能無較大變化的情況下使其熱穩定性和制備溫度區間得到較大提高，從而使其應用范圍更加廣泛。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

n摻雜cro2外延薄膜n摻雜cro2外延薄膜一種n摻雜cro2外延薄膜的制備方法，包含以下步驟：

步驟一，先將75~99.99份質量的cro3裝入石英舟內，將石英舟放入雙溫區管式爐的低溫區，再將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區；

步驟二，在以150~250ml/min的流速向管式爐內持續通入n2的條件下，將高溫區加熱至270℃~430℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區開始保溫時，對低溫區開始加熱，將低溫區加熱至240℃~280℃，再對高溫區和低溫區保溫1.5~3h，即在tio2單晶基片上制得不同摻雜濃度的n摻雜cro2外延薄膜。

上述制備方法中，所述的cro3為分析純物質。

上述制備方法中，所述的n2為高純態物質。

一種n摻雜cro2外延薄膜，所述n摻雜cro2外延薄膜是根據權利要求1~3中任一項所述n摻雜cro2外延薄膜的制備方法所制備的n摻雜cro2外延薄膜。

由于采用上述技術方案，本發明與現有技術相比，具有如下積極效果：

第一、本發明所采用的雙溫區管式爐在國內較為成熟，其操作簡單，常壓下便能生產，用其生產n摻雜cro2外延薄膜可以較快的進行產業化生產。

第二、純的cro2材料在400℃以上便開始分解為cr2o3，380^oc以下在基片上無法成膜，而本發明的n摻雜cro2外延薄膜在500℃仍能保持穩定，而且制備溫度區間為270^oc~430^oc，熱穩定性得到了較大提高，從而使其應用范圍更加廣泛。

第三、與純的cro2材料相比，本發明的n摻雜cro2外延薄膜磁性能并無較大改變，而且表面更加光滑平整，薄膜厚度可控性增強。

因此，本發明具有操作簡單和能較快地進行產業化生產的特點，用該方法制備的n摻雜cro2外延薄膜在磁性能無較大變化的情況下熱穩定性和制備溫度區間有了較大的提高。

附圖說明

圖1為n摻雜cro2外延薄膜與標準樣的xrd圖譜的對比，a是標準樣（純cro2），b是實施例2的n摻雜cro2外延薄膜；

圖2為不同溫度下制備的n摻雜cro2外延薄膜的xrd圖譜a、b、c、d分別對應實施例1、2、3、4制備的n摻雜cro2外延薄膜；e-f是標準樣（純cro2）；

圖3為n摻雜cro2外延薄膜與標準樣的afm圖譜的對比，a是標準樣（純cro2），b是實施例6的n摻雜cro2外延薄膜；

圖4為vsm測量的磁滯回線，a是易磁軸，b是難磁軸，a對應著標準樣（純cro2），b、c、d分別對應實施例5、6、7制備的n摻雜cro2外延薄膜。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本發明作進一步的描述，并非對其保護范圍是限制。

本具體實施方式所述的cro3為分析純物質、所述的n2為高純態物質，所述的摻雜濃度指的是n原子的數量除以o原子數量。

實施例1

一種n摻雜cro2外延薄膜的制備方法，本實施例所述制備方法包含以下步驟：

步驟一，先將75份質量的cro3裝入石英舟內，將石英舟放入雙溫區管式爐的低溫區，再將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區；

步驟二，在以160ml/min的流速向管式爐內持續通入n2的條件下，將高溫區加熱至310℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區開始保溫時，對低溫區開始加熱，將低溫區加熱至260℃，再對高溫區和低溫區保溫3.5h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

實施例2

一種n摻雜cro2外延薄膜的制備方法，本實施例所述制備方法包含以下步驟：

步驟一，先將75份質量的cro3裝入石英舟內，將石英舟放入雙溫區管式爐的低溫區，再將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區；

步驟二，在以150ml/min的流速向管式爐內持續通入n2的條件下，將高溫區加熱至390℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區開始保溫時，對低溫區開始加熱，將低溫區加熱至260℃，再對高溫區和低溫區保溫1.5h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

實施例3

一種n摻雜cro2外延薄膜的制備方法，本實施例所述制備方法包含以下步驟：

步驟一，先將75份質量的cro3裝入石英舟內，將石英舟放入雙溫區管式爐的低溫區，再將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區；

步驟二，在以150ml/min的流速向管式爐內持續通入n2的條件下，將高溫區加熱至430℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區開始保溫時，對低溫區開始加熱，將低溫區加熱至260℃，再對高溫區和低溫區保溫1.5h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

實施例4：

一種n摻雜cro2外延薄膜的制備方法，本實施例所述制備方法包含以下步驟：

步驟一，先將75份質量的cro3裝入石英舟內，將石英舟放入雙溫區管式爐的低溫區，再將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區；

步驟二，在以150ml/min的流速向管式爐內持續通入n2的條件下，將高溫區加熱至270℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區開始保溫時，對低溫區開始加熱，將低溫區加熱至260℃，再對高溫區和低溫區保溫4.5h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

實施例5

一種n摻雜cro2外延薄膜的制備方法，本實施例所述制備方法包含以下步驟：

步驟一，先將75份質量的cro3裝入石英舟內，將石英舟放入雙溫區管式爐的低溫區，再將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區；

步驟二，在以150ml/min的流速向管式爐內持續通入n2的條件下，將高溫區加熱至340℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區開始保溫時，對低溫區開始加熱，將低溫區加熱至260℃，再對高溫區和低溫區保溫3h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

本實施例測得摻雜濃度為0.91%。

實施例6

一種n摻雜cro2外延薄膜的制備方法，本實施例所述制備方法包含以下步驟：

步驟一，先將75份質量的cro3裝入石英舟內，將石英舟放入雙溫區管式爐的低溫區，再將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區；

步驟二，在以150ml/min的流速向管式爐內持續通入n2的條件下，將高溫區加熱至370℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區開始保溫時，對低溫區開始加熱，將低溫區加熱至260℃，再對高溫區和低溫區保溫2.5h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

本實施例測得摻雜濃度為2.94%。

實施例7

一種n摻雜cro2外延薄膜的制備方法，本實施例所述制備方法包含以下步驟：

步驟一，先將75份質量的cro3裝入石英舟內，將石英舟放入雙溫區管式爐的低溫區，再將tio2單晶基片放入雙溫區管式爐的高溫區；

步驟二，在以150ml/min的流速向管式爐內持續通入n2的條件下，將高溫區加熱至410℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區開始保溫時，對低溫區開始加熱，將低溫區加熱至260℃，再對高溫區和低溫區保溫2h，即在tio2單晶基片上制得n摻雜cro2外延薄膜。

本實施例測得摻雜濃度為3.91%。

下面通過不同的表征方法對上述實施例作進一步說明。

圖1為n摻雜cro2外延薄膜與標準樣的xrd圖譜的對比，a是標準樣（純cro2），b是實施例2的n摻雜cro2外延薄膜。峰為相對應說明實施例2所制備的n摻雜cro2外延薄膜沒有雜相，是所需要的外延單晶cro2薄膜材料。

圖2為不同溫度下制備的n摻雜cro2外延薄膜的xrd圖譜，a、b、c、d分別對應實施例1、2、3、4制備的n摻雜cro2外延薄膜；e、f是標準樣（純cro2），由于標準樣的制備溫度區間為380-400℃。標準樣的制備溫度低于380℃沉積不了薄膜、高于400℃會出現雜相。

圖3為n摻雜cro2外延薄膜與標準樣的afm圖譜的對比，a是標準樣（純cro2），b是實施例6的n摻雜cro2外延薄膜。摻雜后表面粗糙度大幅度降低，使得薄膜質量提高。需要說明的是，本具體實施方式除實施例6之外的其他實施例所制備的n摻雜cro2外延薄膜與標準樣的afm圖譜的對比顯示，摻雜后表面粗糙度大幅度降低。

圖4為vsm測量的磁滯回線，a是易磁軸，b是難磁軸，a對應著標準樣（純cro2），b、c、d分別對應實施例5、6、7制備的n摻雜cro2外延薄膜。通過a可以看到摻雜后矯頑力降低，質量提高；通過b可以看到飽和磁場增大，磁各向異性那能提高，摻雜具有更好的磁性能。