一种超低磁阻尼大磁致伸缩铁氧体薄膜制备方法及系统
阅读说明：本技术 一种超低磁阻尼大磁致伸缩铁氧体薄膜制备方法及系统 (Preparation method and system of ultralow-magnetic-damping giant magnetostrictive ferrite film ) 是由 刘明 王志广 胡忠强 赵亚楠 杜琴 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：一种超低磁阻尼大磁致伸缩铁氧体薄膜制备方法及系统,包括以下步骤：步骤1,对镁铝尖晶石MAO衬底进行预处理,用于沉积薄膜；步骤2,将步骤1所得到的基底置于沉积腔内,进行锌/铝共掺杂镍铁氧体NZAFO的沉积工作。本发明采用脉冲激光沉积法在镁铝尖晶石(MAO)衬底上生长NZAFO单晶薄膜,系统研究了生长温度对其结构和磁性能的影响,有助于指导制备具有超低微波阻尼和大磁致伸缩的铁氧体薄膜。(A preparation method and a system of an ultra-low magnetic damping giant magnetostrictive ferrite film comprise the following steps: step 1, pretreating a magnesium aluminate spinel MAO substrate for depositing a film; and 2, placing the substrate obtained in the step 1 in a deposition chamber, and performing deposition work of the zinc/aluminum co-doped nickel ferrite NZAFO. The invention adopts a pulse laser deposition method to grow the NZAFO single crystal film on a magnesium aluminate spinel (MAO) substrate, systematically studies the influence of the growth temperature on the structure and the magnetic performance of the NZAFO single crystal film, and is favorable for guiding the preparation of the ferrite film with ultralow microwave damping and large magnetostriction.)
技术领域
本发明属于铁氧体薄膜制备技术领域，特别涉及一种超低磁阻尼大磁致伸缩铁氧体薄膜制备方法及系统。
背景技术
超低阻尼磁性材料对于旨在利用电子自旋自由度的高频器件至关重要。通过自旋泵浦或自旋滤波产生纯自旋极化电流需要高性能的铁磁绝缘材料，以实现高速调制和低能耗工作。
钇铁石榴石(YIG)，阻尼参数比铁磁性金属低两到三个数量级，已被广泛应用于微波器件，包括移相器、隔离器和循环器等。然而，YIG的复杂石榴石结构严格限制了其外延薄膜生长的选择性，高质量YIG薄膜几乎完全生长在钆镓石榴石单晶基底上且需高沉积退火温度，这使得与现有技术的集成存在问题。此外，YIG的磁致伸缩较弱(<3ppm)，阻碍了其在可调谐微波器件和声自旋电子学中的应用。通常超低磁阻尼需要足够小的自旋轨道耦合，而强磁致伸缩则要求较大的自旋轨道耦合，因此兼具低磁阻尼和高磁致伸缩性的铁磁绝缘体是稀缺的。
最近，具有低阻尼、低矫顽场和强磁致伸缩性能的锌/铝共掺杂镍铁氧体Ni0.65Zn0.35Al0.8Fe1.2O4(NZAFO)引起了人们的关注，有望作为YIG的替代品应用于电场可调微波设备和声学自旋电子学中。然而，NZAFO的外延生长受到薄膜和基底晶体结构对称性差异和晶格失配等问题限制，在生长过程中会不可避免会引入一些结构缺陷。特别是，由有序阳离子和大晶胞体积组成的外延正/反尖晶石薄膜易于形成反相边界。此外，通过热处理和淬火也会引起其晶体结构偏离理想的尖晶石结构。目前所报道的各种方法制备的尖晶石铁氧体薄膜的磁阻尼参数普遍较高，限制了其在可调微波设备和自旋电子元器件中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低磁阻尼大磁致伸缩铁氧体薄膜制备方法及系统，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种超低磁阻尼大磁致伸缩铁氧体薄膜制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对镁铝尖晶石MAO衬底进行预处理，用于沉积薄膜；
步骤2，将步骤1所得到的基底置于沉积腔内，进行锌/铝共掺杂镍铁氧体NZAFO的沉积工作。
进一步的，步骤1中预处理为：超声清洗后用氮气吹干。
进一步的，步骤1中MAO单晶基底为(001)取向的，尺寸5*5mm；衬底分别用去丙酮、乙醇、离子水超声清洗10分钟。
进一步的，步骤2具体包括：
1)将基底用银胶粘贴固定在热台，置于反应室内；
2)依次使用机械泵、分子泵分阶段将反应室抽成真空状态，在反应室内气压≤2.5×10-4Pa时，以≤20℃/min的速率升温至薄膜生长温度，并在激光沉积薄膜的过程中维持该温度；
3)通入氧气，调节氧气流速率，直至反应室内氧气的进出速率相同，调节腔体气压至40Pa；
4)在高能量、低频率的激光脉冲下进行薄膜的制备；
5)薄膜沉积完成后，在薄膜生长温度和氧压下原位退火后降温；
6)上述步骤完成后，让薄膜在沉积腔体中自然降温冷却。
进一步的，单脉冲能量为400～500mJ，频率为1～3Hz的激光脉冲下进行薄膜的沉积。
进一步的，退火时间10min，以1～10℃/min的速率降温至400℃。
进一步的，步骤2中沉积腔为脉冲激光沉积腔。
进一步的，NZAFO尖晶石型铁氧体中的每个阳离子占据晶体四面体中心A位或八面体中心B位，离子分布表示为(MxFe1-x)A[M1-xFe1+x]BO4，其中M是NZAFO中Ni，Zn，Al和Fe的四个阳离子中的任何一种。
进一步的，一种超低磁阻尼大磁致伸缩铁氧体薄膜制备系统，包括：
衬底预处理模块，用于对镁铝尖晶石MAO衬底进行预处理，用于沉积薄膜；
沉积模块，用于将步骤1所得到的基底置于沉积腔内，进行锌/铝共掺杂镍铁氧体NZAFO的沉积工作。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明采用脉冲激光沉积法在镁铝尖晶石(MAO)衬底上生长NZAFO单晶薄膜，系统研究了生长温度对其结构和磁性能的影响，有助于指导制备具有超低微波阻尼和大磁致伸缩的铁氧体薄膜。
本发明制备的NZAFO薄膜线宽最低可达7.5Oe，吉尔伯特阻尼因子可达0.72*10-3，是目前报道的NZAFO薄膜的最优磁阻尼参数，且具备较高的磁致伸缩系数12.8ppm，是YIG磁致伸缩系数的6倍以上，这些优异磁性能有望促进其在高效磁电互调器件和声自旋电子器件中的应用。
附图说明
图1为本发明得到的MAO衬底上外延生长的NZAFO薄膜的X射线衍射(XRD)图；
图2为在MAO衬底上外延生长的NZAFO薄膜的磁滞回线；
图3为在MAO衬底上外延生长的NZAFO薄膜的铁磁共振(FMR)谱图；
图4为MAO衬底上外延生长的NZAFO薄膜的线宽的频率依赖性及线性拟合得到的吉尔伯特阻尼参数α；
图5为MAO衬底上外延生长的NZAFO薄膜的磁致伸缩系数λ与沉积温度的关系。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至5，超低磁阻尼和大磁致伸缩系数的NZAFO薄膜制备方法，包括以下步骤：
步骤1，MAO衬底分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，之后用氮气吹干，用于沉积薄膜；
步骤2，将步骤1所准备的基底置于脉冲激光沉积腔内，进行NZAFO的沉积工作；
步骤1中，MAO单晶基底为(001)取向的，尺寸5*5mm。衬底分别用去丙酮、乙醇、离子水超声清洗10分钟，以去除粘附在基片表面的有机物、金属离子和杂质微粒子，便于后续薄膜的沉积和生长；
步骤2具体包括：
1)将基底用银胶粘贴底固定在热台后，置于反应室内；
2)依次使用机械泵、分子泵分阶段将反应室抽成高真空状态，在反应室内气压≤2.5×10-4Pa时，以≤20℃/min的速率升温至薄膜生长温度，并在激光沉积薄膜的过程中维持该温度；
气体环境对反应的进行有着较大的影响，不够纯净的气体环境可能会导致激光脉冲溅射出的等离子体混杂杂质或液滴、小颗粒，影响形成的薄膜质量。沉积温度和生长物质的碰撞速率是单晶薄膜生长过程中两个最重要的影响因素。
3)通入氧气，调节氧气流速率，直至反应室内氧气的进出速率相同，调节腔体气压至40Pa；
4)在高能量、低频率的激光脉冲下进行薄膜的制备；单脉冲能量为400～500mJ，频率为1～3Hz的激光脉冲下进行薄膜的沉积。高能量激光脉冲可以确保成膜的均匀度。由于激光脉冲溅射沉积系统使用的是激光这一能量高度的能源，导致溅射出的高能粒子也具有一定的定向性，只有小面积的基片能够接收到足够成膜的高能粒子。使用较低频率的激光脉冲(1～3Hz)进行薄膜的制备，使得落到基片表面的高能粒子有足够的时间外延生长，有助于薄膜形成良好的晶相。
5)薄膜沉积完成后，在薄膜生长温度和氧压下原位退火10min后，以1～10℃/min的速率降温至400℃；
6)上述步骤完成后，让薄膜在沉积腔体中自然降温冷却。
在本发明中，所述NZAFO薄膜的生长过程中衬底温度为450～700℃，氧气气氛优选40Pa，沉积频率优选为3Hz，单脉冲激光能量优选450mJ，靶基距优选为6cm；
在本发明中，NZAFO尖晶石型铁氧体中的每个阳离子占据晶体四面体中心A位或八面体中心B位，离子分布可以表示为(MxFe1-x)A[M1-xFe1+x]BO4，其中M可以是NZAFO中Ni，Zn，Al和Fe的四个阳离子中的任何一种。由于生长温度的差异，Ni和Fe原子在A和B位置上的不同占据方式会诱导未淬灭的轨道矩和变化的自旋状态，从而导致磁化强度、磁晶各向异性和磁致伸缩发生巨大变化。此外，NZAFO薄膜的磁性与薄膜厚度有着强烈的相关性。因此通过改变薄膜沉积温度和沉积时间可有效调控所生长的NZAFO薄膜的静态和动态磁性特性；
图1为本实施例得到的在MAO上外延生长的NZAFO薄膜的X射线衍射(XRD)图，两个衍射峰从左到右依次为NZAFO(004)和MAO(004)；
图2为本实施例得到的NZAFO薄膜的磁滞回线图，从薄膜磁化强度与外加磁场强度的关系可以获得该薄膜的饱和磁化强度MS和矫顽力HC；
图3为本实施例得到的NZAFO薄膜的铁磁共振谱，该薄膜的线宽ΔH只有7.5Oe；
图4为本实施例得到的NZAFO薄膜的铁磁共振线宽随频率变化的关系，由其线性拟合可以获得该材料的吉尔伯特阻尼参数α，低至0.72*10-3；
图5为本实施例所制备NZAFO薄膜的磁致伸缩系数随沉积温度的变化，所制备的NZAFO薄膜具有相对较大的磁致伸缩系数(在650℃时为12.8ppm)，约为YIG磁致伸缩系数的6倍以上。