阅读说明：本技术 一种英寸级单晶薄膜的制备方法及单晶薄膜 (Preparation method of inch-grade single crystal film and single crystal film ) 是由 潘孟春 彭俊平 胡悦国 李裴森 胡佳飞 邱伟成 张琦 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种英寸级单晶薄膜的制备方法及单晶薄膜,本发明制备方法的实施步骤包括：将单晶基片进行预处理,预处理包括清洗、高温灼烧；在预处理后的单晶基片的外延面上沉积铁磁金属薄膜；将沉积有铁磁金属薄膜的单晶基片退火处理得到(111)或(0001)取向的单晶薄膜。单晶薄膜为基于前述制备方法制备得到的单晶薄膜。本发明能够实现英寸级单晶薄膜的制备,制备得到的单晶薄膜在英寸级范围内具有原子级平整度、超高洁净度和单一晶化特征,能够为实现大面积石墨烯生长以及高性能石墨烯自旋电子器件研制提供技术基础。(The invention discloses a preparation method of an inch-grade single crystal film and the single crystal film, and the implementation steps of the preparation method comprise: pretreating the single crystal substrate, wherein the pretreatment comprises cleaning and high-temperature burning; depositing a ferromagnetic metal film on the epitaxial surface of the pretreated single crystal substrate; annealing the single crystal substrate deposited with the ferromagnetic metal film to obtain the (111) or (0001) oriented single crystal film. The single crystal thin film is a single crystal thin film produced based on the foregoing production method. The preparation method can realize the preparation of inch-grade single crystal films, the prepared single crystal films have the characteristics of atomic-grade flatness, ultrahigh cleanliness and single crystallization in an inch-grade range, and a technical basis can be provided for realizing the growth of large-area graphene and the development of high-performance graphene spinning electronic devices.)

一种英寸级单晶薄膜的制备方法及单晶薄膜

技术领域

本发明涉及自旋电子学、薄膜材料制备技术，具体涉及一种英寸级单晶薄膜的制备方法及单晶薄膜。

背景技术

石墨烯作为一种新型二维材料，由于其优异的物理化学特性，在电子学、光子学、复合材料以及能源等方面具有广阔的应用前景。以铁磁材料和石墨烯构成的器件展现出新颖的自旋输运特性，为自旋电子学带来了新的活力。例如，石墨烯/镍具有新颖的界面自旋过滤效应，由其构成的石墨烯基磁隧道结具有很大的磁电阻性能。

石墨烯自旋电子器件需要在镍单晶薄膜基底上制备高质量石墨烯，但目前制备的镍薄膜存在大量畴界，无法达到英寸级单晶一致性，导致生长的石墨烯厚度不均匀。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种英寸级单晶薄膜的制备方法及单晶薄膜，本发明能够实现英寸级单晶薄膜的制备，制备得到的单晶薄膜在英寸级范围内具有原子级平整度、超高洁净度和单一晶化特征，能够为实现大面积石墨烯生长以及高性能石墨烯自旋电子器件研制提供技术基础。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种英寸级单晶薄膜的制备方法，实施步骤包括：

1）将单晶基片进行预处理，预处理包括清洗、高温灼烧；

2）在预处理后的单晶基片的外延面上沉积铁磁金属薄膜；

3）将沉积有铁磁金属薄膜的单晶基片退火处理得到(111)或(0001)取向的单晶薄膜。

可选地，步骤1）中使用的单晶基片为外延面为(0001)的六方密堆积结构晶体或外延面为(111)的立方密堆积结构晶体。

可选地，步骤1）中清洗的详细步骤包括：在超净间中，放入丙酮溶液中超声清洗5-10分钟，放入异丙醇溶液中超声清洗5-10分钟，放去离子水中超声清洗5-10分钟，用高纯氮***吹干净；重复上述步骤直至用显微镜观察单晶基片的外延面时单晶基片的外延面无明显颗粒杂质和水渍。

可选地，步骤1）中高温灼烧的详细步骤包括：将单晶基片放入管式炉中进行高温灼烧，通入气氛为氧氩混合气体，温度为1000-1300℃，灼烧指定时间后，自然降温至常温；重复上述步骤直至用原子力显微镜对单晶基片的进行外延面随机多点表征时确认外延面原子级平整，所述原子级平整是指单晶基片的外延面的起伏度不高于0.5nm。

可选地，步骤2）中在预处理后的单晶基片的外延面上沉积铁磁金属薄膜时采用的沉积工艺为电子束蒸发、或者磁控溅射、或者分子束外延，且采用的金属源材料纯度高于99.99%。

可选地，步骤2）中在预处理后的单晶基片的外延面上沉积铁磁金属薄膜时采用的沉积工艺参数为：沉积速率是0.05~0.5 nm/s，单晶基片的温度为200-500℃。

可选地，步骤2）中沉积铁磁金属薄膜时采用的金属源材料为立方密堆积结构或六方密堆积结构的铁磁金属或铁磁金属的合金材料。

可选地，步骤3）中将沉积有铁磁金属薄膜的单晶基片退火处理的详细步骤包括：将沉积有铁磁金属薄膜的单晶基片放入真空退火炉或者超高真空条件下的加热设备的真空腔中，先升温至300～500℃对单晶基片表面除气以消除吸附在铁磁金属薄膜表面的气体分子，然后匀速升温至750~1000 ℃后维持0.5~2小时，再匀速降温至室温，所述真空腔的本底真空压强小于5×10^-5 Pa。

此外，本发明还提供一种单晶薄膜，该单晶薄膜为采用所述英寸级单晶薄膜的制备方法制备得到的(111)或(0001)取向的单晶薄膜。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明利用单晶基片外延面的晶格对称性，诱导铁磁金属薄膜的晶面外延生长，并通过真空高温退火工艺，提高薄膜结晶质量，确保实现薄膜的单晶化。

2、本发明单晶基片经过在超净间里进行充分清洗和足够时间的高温灼烧后，整个英寸级外延面具有超高的洁净度和原子级平整度，以此确保所制备的铁磁金属单晶薄膜在英寸级范围内具有原子级平整度、超高洁净度和单一晶化特征，非常适合作为高质量石墨烯（或其他二维材料）生长的金属基底。该方法与现代半导体工艺相兼容，能够进行大尺寸阵列式的石墨烯自旋电子器件制备。

附图说明

图1为本发明实施例一方法的基本流程图。

图2为本发明实施例一中制备的Ni(111)单晶薄膜制备工艺流程示意图。

图3为本发明实施例一中制备的Ni(111)单晶薄膜的原子力显微镜表征图。

图4为本发明实施例一中制备的Ni(111)单晶薄膜的X射线衍射图。

图5为本发明实施例一中α-Al2O3(0001)基片和Ni(111)单晶薄膜的表征图。

图6为单晶基片洁净度不满足本发明要求的情况下制备的镍薄膜表征图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例一：

如图1所示，本实施例英寸级单晶薄膜的制备方法的实施步骤包括：

1）将单晶基片进行预处理，预处理包括清洗、高温灼烧；

2）在预处理后的单晶基片的外延面上沉积铁磁金属薄膜；

3）将沉积有铁磁金属薄膜的单晶基片退火处理得到(111)或(0001)取向的单晶薄膜。

为了诱导立方密堆积铁磁金属材料(111)晶面或者六方密堆积铁磁金属材料(0001)晶面外延生长，进而生长石墨烯形成具有强自旋过滤作用的石墨烯/铁磁界面，单晶基片优选为外延面具有六角晶格对称性的单晶基片。

步骤1）中使用的单晶基片为外延面为(0001)的六方密堆积结构晶体或外延面为(111)的立方密堆积结构晶体，比如α-Al₂O₃(0001)基片、MgO(111)基片等，其中α-Al₂O₃(0001)基片为外延面为(0001)的六方密堆积结构晶体，MgO(111)基片为外延面为(111)的立方密堆积结构晶体。作为一种可选的实施方式，如图2所示，本实施例中单晶基片具体选择α-Al₂O₃(0001)基片。

此外，单晶基片也可以采用外延面具有其他类型晶格对称性的材料。

单晶基片的厚度可为400-1000μm，尺寸可为2-6英寸。作为一种可选的实施方式，本实施例中选择α-Al₂O₃(0001)基片厚度为430±10μm、尺寸为2英寸。

步骤1）的预处理通过清洗、高温（1000-1300℃）灼烧，其目的是去除外延面的有机和无机杂质，确保外延面具有原子级平整度（起伏度不高于0.5nm）并具有非常好的洁净度。

本实施例中，步骤1）中清洗的详细步骤包括：在超净间中，放入丙酮溶液中超声清洗5-10分钟，放入异丙醇溶液中超声清洗5-10分钟，放去离子水中超声清洗5-10分钟，用高纯氮***吹干净；重复上述步骤直至用显微镜观察单晶基片的外延面时单晶基片的外延面无明显颗粒杂质和水渍。

本实施例中，步骤1）中高温灼烧的详细步骤包括：将单晶基片放入管式炉中进行高温灼烧，通入气氛为氧氩混合气体，温度为1000-1300℃，灼烧指定时间后，自然降温至常温；重复上述步骤直至用原子力显微镜对单晶基片的进行外延面随机多点表征时确认外延面原子级平整（外延面的起伏度不高于0.5nm，具有非常好的洁净度）。灼烧指定时间一般为3～5小时，本实施例中具体为4小时。

步骤2）中在预处理后的单晶基片的外延面上沉积铁磁金属薄膜时采用的沉积工艺为电子束蒸发、或者磁控溅射、或者分子束外延，且采用的金属源材料纯度高于99.99%。

步骤2）中在预处理后的单晶基片的外延面上沉积铁磁金属薄膜时采用的沉积工艺参数为：沉积速率是0.05~0.5 nm/s，单晶基片的温度为200-500℃。沉积铁磁金属薄膜的沉积厚度可根据需要选择，例如100-1000nm等。

步骤2）中沉积铁磁金属薄膜时采用的金属源材料为立方密堆积结构或六方密堆积结构的铁磁金属或铁磁金属的合金材料，比如Ni、Co等，其中Ni为立方密堆积结构的铁磁金属，Co为六方密堆积结构的的铁磁金属。作为一种可选的实施方式，如图2所示，本实施例中沉积铁磁金属薄膜时采用的金属源材料为Ni，沉积的铁磁金属薄膜在图2中表示为Ni(111)薄膜，Ni(111)表示(111)取向。

此外，沉积铁磁金属薄膜时采用的金属源材料也可以是简单立方堆积结构或者体心立方堆积结构的铁磁金属或铁磁金属的合金材料。

作为一种可选的实施方式，本实施例中步骤2）中具体采用电子束蒸发的方法，在α-Al₂O₃(0001)基片外延面上沉积300nm厚的Ni薄膜，基片加热至温度480℃，沉积速率0.2nm/s，得到沉积有Ni薄膜的α-Al₂O₃(0001)衬底（即：沉积有铁磁金属薄膜的单晶基片），标记为Ni/ Al₂O₃(0001)。

本实施例中，步骤3）中将沉积有铁磁金属薄膜的单晶基片退火处理的详细步骤包括：将沉积有铁磁金属薄膜的单晶基片放入真空退火炉或者超高真空条件下的加热设备的真空腔中，先升温至300～500℃对单晶基片表面除气以消除吸附在铁磁金属薄膜表面的气体分子，然后匀速升温至750~1000 ℃后维持0.5~2小时，再匀速降温至室温，所述真空腔的本底真空压强小于5×10^-5 Pa。作为一种可选的实施方式，本实施例中步骤3）中将沉积有铁磁金属薄膜的单晶基片（Ni/Al₂O₃(0001)）放入真空腔进行退火处理，先升温至400℃对Ni/Ni/Al₂O₃(0001)表面除气，消除吸附在Ni薄膜表面的水蒸气等其他气体分子，然后以10℃/min速率升温至800℃，维持该温度1小时，再以10℃/min速率降温至室温，得到Ni(111)单晶薄膜。图3所示为本实施例中最终经过退火处理后得到的单晶薄膜为Ni(111)单晶薄膜，即(111)取向的单晶薄膜。用原子力显微镜对所得Ni(111)单晶薄膜平整度随机多点表征，如图3所示，确认薄膜表面原子级平整，表面起伏度约为0.43 nm。用X射线衍射对所得Ni(111)单晶薄膜的单晶性进行表征，其中，图4中的(a)图部分是所得Ni(111)单晶薄膜的面外X射线衍射图，显示在44.6°处的峰是Ni(111)取向峰，表明该Ni薄膜是(111)取向膜；图4中的(b)图部分是所得Ni(111)单晶薄膜的面内X射线衍射图，显示相互呈120°角的三个峰，表明该Ni薄膜在英寸级范围具有一致的单晶性，非常适合用于后续石墨烯外延生长，制备石墨烯/铁磁界面及石墨烯自旋电子器件。

综上所述，本实施例英寸级单晶薄膜的制备方法将单晶基片进行预处理（包括清洗、高温灼烧），在预处理后的单晶基片的外延面上沉积铁磁金属薄膜，将沉积有铁磁金属薄膜的单晶基片退火处理得到(111)或(0001)取向的单晶薄膜，能够实现英寸级单晶薄膜的制备，制备得到的单晶薄膜在英寸级范围内具有原子级平整度、超高洁净度和单一晶化特征，能够为实现大面积石墨烯生长以及高性能石墨烯自旋电子器件研制提供技术基础。

此外，本实施例还提供一种单晶薄膜，该单晶薄膜为采用前述英寸级单晶薄膜的制备方法制备得到的(111)或(0001)取向的单晶薄膜。

实施例二：

本实施例为实施例一的对照实施例，本实施例与实施例一基本相同，其不同点仅在于：未进行预处理中的高温灼烧，即原子力显微镜表征发现该Al₂O₃(0001)基片在沉积Ni薄膜前外延面存在纳米颗粒和杂质（如图6中的(a)图部分所示），其洁净度和平整度均远差于实例一（如图5中的(a)图部分所示）。采用本实施例方法制备的Ni薄膜，原子力显微镜图像中显示出5~20纳米深度的裂缝（如图6中的(b)图部分所示），表明在几十微米范围内存在畴界；面内X射线衍射图显示两套强度不等的相互呈120°角的三个峰（如图6中的(c)图部分所示），表明该Ni薄膜在英寸级范围具有两个面内取向。这种镍薄膜的畴界容易富集碳元素，影响后续石墨烯外延生长的均匀性，可见利用这种方案不利于降低镍薄膜的表面粗糙度和取向一致性。因此，预处理中的高温灼烧有利于确保所制备的铁磁金属单晶薄膜在英寸级范围内具有原子级平整度、超高洁净度和单一晶化特征。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。