阅读说明：本技术 钴基Heusler合金结构及提升其有序化的制备方法 (Cobalt-based Heusler alloy structure and preparation method for improving ordering of cobalt-based Heusler alloy structure ) 是由 陈嘉民 邹旭东 薛宁 祁志美 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：一种提升钴基Heusler合金结构有序化的制备方法,包括以下步骤：样品基板清洗；低蒸汽压元素与钴基Heusler合金进行共溅射成膜；高真空退火处理。本发明提出了使用低蒸汽压元素掺杂后退火的方法来提高钴基Heusler合金薄膜材料的性能,使其具有高结晶度、低温有序化、高自旋极化率的优点。(A preparation method for improving structural ordering of a cobalt-based Heusler alloy comprises the following steps: cleaning a sample substrate; co-sputtering the low vapor pressure element and the cobalt-based Heusler alloy to form a film; and (5) high vacuum annealing treatment. The invention provides a method for annealing after doping low-vapor-pressure elements to improve the performance of a cobalt-based Heusler alloy film material, so that the cobalt-based Heusler alloy film material has the advantages of high crystallinity, low-temperature ordering and high spin polarization rate.)

钴基Heusler合金结构及提升其有序化的制备方法

技术领域

本发明涉及电子器件制备的技术领域，尤其涉及一种钴基Heusler合金结构及提升其有序化的制备方法。

背景技术

巨磁电阻GMR(Giant Magnetoresistance)、隧穿磁电阻TMR(TunnelingMagnetoresistance)等自旋电子器件现已广泛应用于如电脑的硬盘磁头、存储器、工业控制的传感器等信息科技领域。随着大数据、物联网技术的快速发展，对海量信息数据快速、高效、低功耗的获取、存储和计算的需求越来越大。为了满足这一需求，亟需开发下一代更高性能的自旋电子器件。其中开发像哈斯勒/赫斯勒合金(Heusler alloy)那样具有高自旋极化率特性的薄膜材料，是制备高性能自旋电子器件的关键所在。

Heusler alloy是一类金属间化合物，它最早是由F.Heulser在1903年发现的。当时他发现Cu₂MnAl里中的元素都是非铁磁性元素，但是这个化合物却呈现出铁磁性。具有高度有序结构的Heusler alloy表现出十分丰富的物理特性，蕴藏着多种应用功能，譬如半金属特性、铁磁性、热电效应、磁电阻效应、超导性、形状记忆效应等。Heusler alloy可以分为half-Heusler和full-Heusler两大类，是一个庞大的合金家族，如图1所示。其中钴基full-Heusler alloy因其具有高自旋极化率，高居里温度、低阻尼因子以及与GaAs、MgO等衬底较好的晶格匹配度等特点，得到研究者的青睐。

自钴基Heusler alloy的半金属特性(所谓的半金属特性是指该材料能带结构的费米面附近仅有一种自旋方向的电子，因此理论上具有100％的自旋极化率。)被发现以来，人们一直在努力探索室温下具有100％高自旋极化率、可实际应用于自旋电子器件的钴基Heusler alloy新材料。

目前，已报道的高自旋极化率钴基Heusler alloy薄膜材料当中，普遍需要通过高温退火(500摄氏度以上)工艺来获得有序的L2₁晶体结构，从而提高薄膜材料的自旋极化率。然而，500摄氏度以上的高温退火工艺对自旋电子器件的制备来说温度过高，与目前的硅基器件制作工艺不兼容，严重限制了高自旋极化率钴基Heusler alloy薄膜材料在高性能自旋电子器件制备中的应用。因此，亟需研发新的制备工艺解决高温退火带来的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种提升钴基Heusler合金结构有序化的制备方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种提升钴基Heusler合金结构有序化的制备方法，包括以下步骤：

样品基板清洗；

低蒸汽压元素与钴基Heusler合金进行共溅射成膜；

高真空退火处理。

其中，所述样品基板清洗的步骤中，样品基板依次使用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗各3-10分钟，超声清洗结束后将样品基板放入磁控溅射仪的真空腔室进行500-800摄氏度的热清洗。

其中，所述低蒸气压元素为锌、镁、汞、纳、钾、银、金、铜或钛元素。

其中，所述低蒸汽压元素与钴基Heusler合金进行共溅射成膜具体包括如下步骤：使用钴基Heusler合金靶材和低蒸汽压元素单质靶材，利用共聚焦磁控溅射的方法，在样品基板上制备低蒸汽压元素掺杂后的钴基Heusler合金薄膜材料。

其中，所述薄膜材料的性能以及低蒸汽压元素的掺杂浓度通过磁控溅射过程中的溅射时间、溅射温度、溅射功率、电源类型、工艺气体气压、流速、溅射功率、阻隔网网孔大小和靶材-样品距离参数进行调控。

其中，所述高真空退火处理的步骤中，制备所得的薄膜材料在真空度为10^-6-10^{- 8}Pa的超高真空溅射腔室中进行300-600摄氏度的退火处理，退火时间为10-120分钟。

其中，所述制备方法能够拓展应用到所有钴铁基(Co₂Fe-based)、钴锰基(Co₂Mn-based)Heusler合金材料体系中。

作为本发明的另一方面，提供了一种采用如上所述的制备方法所制备的钴基Heusler合金结构。

其中，所述钴基Heusler合金薄膜材料能够用于自旋电子器件的制备，用于提高硬盘磁头、磁性随机存储器、磁传感器或自旋逻辑电路产品的性能。

基于上述技术方案可知，本发明的提升钴基Heusler合金结构有序化的制备方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

1、本发明提出了使用低蒸汽压元素掺杂后退火的方法来提高钴基Heusler合金薄膜材料的性能，使其具有高结晶度、低温有序化、高自旋极化率的优点。

2、本发明提出的使用低蒸汽压元素掺杂后退火来提高薄膜材料的性能的方法可拓展应用到所有钴铁基(Co₂Fe-based)、钴锰基(Co₂Mn-based)Heusler合金材料体系中。

3、本发明制备所得的高性能钴基Heusler合金薄膜材料可用于高性能自旋电子器件的制备，用于提高硬盘磁头、磁性随机存储器、磁传感器、自旋逻辑电路等产品的性能。

附图说明

图1是Heusler alloy的元素周期表；

图2是本发明实施例的制备方法流程图；

图3是本发明实施例的低蒸汽压元素与钴基Heusler合金共溅射成膜示意图；

图4是本发明实施例根据制备方法所制备的薄膜材料样品的截面结构图；

图5是含不同锌元素掺杂浓度的Co₂FeGa_0.5Ge_0.5薄膜在不同退火温度下的L2₁晶格有序度图；

图6是不同溅射条件制备而成的Co₂FeGa_0.5Ge_0.5薄膜在不同退火温度下锌元素的含量变化图。

具体实施方式

本发明通过利用具有低蒸汽压特性的元素对钴基Heusler合金(Heusler alloy)进行掺杂、高真空退火的工艺处理，可制备获得高性能钴基Heusler alloy薄膜材料，该薄膜材料具有高结晶度、低温有序化、高自旋极化率的优点，可为高性能自旋电子器件的制备提供材料基础。

在此前的研究中，人们通常采用高温退火(500摄氏度以上)工艺来获得高晶格有序化的具有L2₁晶体结构的钴基Heusler合金薄膜材料。在本发明专利中，发明人研究发现使用低蒸汽压元素(锌、镁、汞、纳、钾、银、金、铜、钛元素等)对钴基Heusler合金进行共溅射掺杂后，再通过高真空环境下的退火处理，可制备获得高性能钴基Heusler alloy薄膜材料，该薄膜材料具有高结晶度、低温有序化、高自旋极化率的优点，可为高性能自旋电子器件的制备提供材料基础。具体制备流程如图2所示。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

1、样品基板清洗

样品基板依次使用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗各5分钟。结束后放入磁控溅射仪的真空腔室进行600摄氏度的热清洗。

2、低蒸汽压元素与钴基Heusler合金进行共溅射成膜

如图3所示，低蒸汽压元素与钴基Heusler合金共溅射成膜制备步骤如下：使用钴基Heusler合金靶材和低蒸汽压元素单质靶材，利用共聚焦磁控溅射的方法，在样品基板上制备低蒸汽压元素掺杂后的钴基Heusler合金薄膜材料。其中，薄膜的厚度以及低蒸汽压元素的掺杂浓度通过磁控溅射过程中的溅射时间、溅射温度、溅射功率、电源类型、工艺气体气压、流速、溅射功率、阻隔网网孔大小、靶材-样品距离等参数进行调控。

3、高真空退火处理

制备所得的薄膜样品在真空度为10^-7Pa的超高真空溅射腔室中进行500摄氏度的退火处理，退火时间为30分钟。

如图4所示，为利用上述方法制备所得的高性能钴基Heusler合金薄膜材料样品的截面结构图。

在本发明进一步的实施例中，通过锌元素掺杂来提高Co₂FeGa_0.5Ge_0.5(简称CFGG)这种Heusler薄膜材料的性能。

如图5所示，随着锌元素掺杂浓度的升高，CFGG薄膜的结晶度越来越好，并且CFGG薄膜的L2₁晶格的有序化退火温度降低。如0％，1.1％和4.8％锌元素掺杂的样品中L2₁晶格的有序化温度为600摄氏度，12.8％掺杂时，L2₁晶格的有序化温度降为500摄氏度，17.9％和43.9％掺杂时，进一步下降到400摄氏度。

如图6所示，随着退火温度的升高，CFGG薄膜中的锌元素逐渐析出样品，在600摄氏度，30分钟，10^-7Pa的退火条件下，退火前掺杂的锌元素几乎完全析出，逃离样品。通过锌元素的析出蒸发来提高Heusler合金薄膜材料结晶度、晶格有序化程度以及自旋极化率的方法此前未曾报道。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。