一种YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜及其制备方法
阅读说明：本技术 一种YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜及其制备方法 (YIG/SnTe heterojunction single-crystal epitaxial film and preparation method thereof ) 是由 马嵩 张安琪 刘伟 张志东 于 2021-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜及其制备方法,所述YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜的制备方法为：提供GGG基底,并将该GGG基底置于真空系统中；利用脉冲激光沉积生长一YIG薄膜于该GGG基底表面；再利用分子束外延技术生长一SnTe薄膜于作为基底的YIG薄膜表面。利用本发明方法可制备出高质量的单晶外延铁磁/拓扑绝缘体异质结,可在300K时观察到反常霍尔效应。(The invention relates to a YIG/SnTe heterojunction single-crystal epitaxial film and a preparation method thereof, wherein the preparation method of the YIG/SnTe heterojunction single-crystal epitaxial film comprises the following steps: providing a GGG substrate and placing the GGG substrate in a vacuum system; depositing and growing a YIG film on the surface of the GGG substrate by using pulsed laser; and then growing a SnTe film on the surface of the YIG film serving as the substrate by utilizing a molecular beam epitaxy technology. The method can be used for preparing the high-quality monocrystal epitaxial ferromagnetic/topological insulator heterojunction, and the abnormal Hall effect can be observed at 300K.)
技术领域
本发明属于凝聚态物理领域，更特别地，涉及一种通过构造异质结的方法使铁磁绝缘体材料与拓扑晶体绝缘体材料产生界面效应，从而在300K 时观察到反常霍尔效应的方法。
背景技术
霍尔效应是一种常见的电磁效应，当导体被置于外磁场中，并且导体中的电流垂直于外磁场时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现明显的电势差，这个现象就是霍尔效应。这主要是因为产生电流的电子受到洛伦兹力，使其向导体两侧移动，从而产生电荷积累，出现了霍尔效应。霍尔效应是凝聚态物理中的一个基本现象，它广泛用于确定样品的载流子类型、载流子密度以及测量磁场强度等领域。1881年，霍尔在铁磁性二维金属中发现了比非磁性材料大几十倍的霍尔效应，并且这种行为在零磁场或一个很微小的磁场下就可以观测到，这个零磁场下的霍尔效应便是反常霍尔效应。反常霍尔效应普遍存在于铁磁材料中，是一种不需要外加磁场就存在的霍尔效应，起源于自旋-轨道耦合作用。反常霍尔效应是由于材料本身的自发磁化产生的，是自旋电子学中一个非常重要的物理现象。具有反常霍尔效应的材料有助于研发低功耗、速度快、体积小和信息不丢失的自旋电子新型器件。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有室温反常霍尔效应的磁性薄膜及其制备方法，YIG具有面内铁磁性，并且其居里温度可以达到550K。在一定的薄膜厚度情况下，通过构造铁磁绝缘体YIG与拓扑晶体绝缘体SnTe异质结可以引起其界面效应，从而实现具有室温反常霍尔效应的材料，即本发明提供的YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜。本发明还提供了所述薄膜的制备方法，利用该方法可获得一种高质量，具有室温反常霍尔效应的薄膜材料，其能够在300K时表现出反常霍尔效应。
本发明技术方案如下：
一种YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜，其特征在于：在GGG(111)基底表面生长YIG单晶外延薄膜，在该薄膜表面生长SnTe单晶外延薄膜。
作为优选的技术方案，所述基底厚度为0.2-1.0mm，所述YIG单晶外延薄膜厚度为33-400nm，所述SnTe单晶外延薄膜厚度为10nm-20nm。
一种YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将GGG(111)基底置于真空系统中；
b)利用脉冲激光沉积技术，生长YIG单晶外延薄膜于GGG(111)基底的表面；
c)将已生长的YIG单晶外延薄膜置于超高真空系统中，利用分子束外延生长技术，生长SnTe单晶外延薄膜于该YIG薄膜的表面，最终制备得到 YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜。
作为优选的技术方案：
步骤a)中，将所述基底置于真空系统中前，使用丙酮对基底超声 300s-500s，再用乙醇超声200s-400s。
步骤b)中，在生长YIG单晶薄膜时，所述基底温度保持在650℃-800℃。
在生长YIG单晶薄膜时，提供一YIG靶材，腔内温度保持在650℃ -800℃，通入氧气，并维持氧气气压为0.5Pa-5.0Pa；在激光重复频率为 3Hz-5Hz，激光能量为350mJ-450mJ的条件下使用脉冲激光打击YIG靶，得YIG薄膜；激光打击完毕后在650℃-750℃进行1h-3h退火处理，取出 YIG薄膜样品。
步骤c)中，在生长SnTe单晶薄膜前，将作为基底的YIG薄膜分别使用异丙醇，丙酮，乙醇超声10min-30min，超声处理的目的是去除基底表面杂质以保证基底干净平整。然后升温至700℃-900℃，进行1h-1.5h的退火处理。
在生长SnTe单晶薄膜时，作为基底的YIG薄膜温度保持在300℃ -400℃。
在生长SnTe单晶薄膜时，分别提供一Sn源，一Te源，所述Sn源生长温度保持在970℃-1000℃，所述Te源生长温度保持在270℃-330℃。
在生长SnTe单晶薄膜后，将所得YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜在 300℃-400℃，进行1h-1.5h的退火处理。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
第一，利用分子束外延生长技术，可实现对SnTe单晶薄膜生长过程和形貌原子水平上精确控制，制备出化学成分严格可控的高质量SnTe薄膜。
第二，采用YIG薄膜作为基底，YIG与SnTe的晶格常数呈整数倍关系，单晶的晶格失配度小，保证了SnTe可以在YIG表面的二维外延生长。并且 YIG在低温下具有很高介电常数，能够有效屏蔽载流子之间的相互作用，获得较强的SnTe/YIG界面效应。
第三，YIG具有面内磁性，可以通过界面效应对SnTe的表面态产生影响，有望产生反常霍尔效应。
第四，利用本发明方法制备的铁磁绝缘体和拓扑绝缘体异质结薄膜，其可在300K时表现出反常霍尔效应。
附图说明
图1为本发明实施例提供的YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的GGG基片上生长YIG单晶外延薄膜的X 射线衍射图谱(XRD)。
图3为本发明实施例提供的在以GGG为基底的YIG(111)薄膜上生长 SnTe异质结单晶外延薄膜的X射线衍射图谱(XRD)。
图4为本发明实施例提供的YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜的原子力形貌图。
图5为本发明实施例提供的YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜的纵向电阻随温度变化的曲线。
图6为本发明实施例提供的YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜的横向电阻随磁场变化的曲线。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜及其制备方法做进一步的详细说明。
请参见图l，本发明实施例提供一种具有室温反常霍尔效应的薄膜，该薄膜包括GGG(111)基底，一种YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜。所述 GGG(111)基底，YIG/SnTe异质结单晶薄膜，依次层叠设置。其中，所述 YIG单晶薄膜位于GGG基底之上，通过脉冲激光沉积生长实现层叠设置，所述SnTe单晶薄膜与YIG薄膜之间通过分子束外延生长实现层叠设置。
所述YIG薄膜具有较高的介电常数，有利于屏蔽载流子之间的相互作用。为了便于利用电输运测量观测所述薄膜的反常霍尔效应与居里温度，可选择高阻绝缘基底。优选地，所述GGG基底为一单晶绝缘基底。
所述GGG基底的晶格常数为1.238纳米。GGG基底与YIG单晶薄膜晶格失配为0.06％左右，此较小的晶格失配度有利于在该基底上生长出高质量的YIG单晶薄膜。SnTe的晶格常数为0.63纳米，与YIG的晶格失配度为1.6％左右，此较小的晶格失配度有利于在该基底上生长出高质量的 SnTe单晶薄膜。本实施例中，所用GGG基底的厚度约为0.5mm。
所述YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜，其反常霍尔效应主要来自于薄膜中铁磁性绝缘体与拓扑晶体绝缘体的界面作用，使得该单晶薄膜具有室温反常霍尔效应。该薄膜的制备方法如下：
a)使用丙酮对GGG(111)基底超声480s，再用乙醇超声280s，再将基底置于真空系统中；
b)利用脉冲激光沉积技术，生长YIG单晶外延薄膜于GGG(111)基底的表面；
在生长YIG单晶薄膜时，基底温度保持在700℃左右。提供一YIG靶材，腔内温度保持在700℃，通入氧气，并维持氧气气压为0.5Pa-5.0Pa；在激光重复频率为3Hz-5Hz，激光能量为350mJ-450mJ的条件下使用脉冲激光打击YIG靶，得YIG薄膜；激光打击完毕后在650℃-750℃进行1h退火处理，从而得到结晶度较好的单晶外延YIG薄膜，取出YIG薄膜样品。
c)将已生长的YIG单晶外延薄膜置于超高真空系统中，利用分子束外延生长技术，生长SnTe单晶外延薄膜于该YIG薄膜的表面，最终制备得到 YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜。
在生长SnTe单晶薄膜前，将作为基底的YIG薄膜分别使用异丙醇，丙酮，乙醇超声10min，然后升温至800℃，进行1h的退火处理。
在生长SnTe单晶薄膜时，作为基底的YIG薄膜温度保持在350℃，分别提供一Sn源，一Te源，所述Sn源生长温度保持在985℃，所述Te源生长温度保持在300℃。
在生长完SnTe单晶薄膜后，将所得YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜在 350℃，进行1h的退火处理。
本发明实施例中采用的各项参数，可使生长获得的YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜具有较好的薄膜质量，从而有利于获得具有反常霍尔效应的 YIG/SnTe异质结单晶薄膜。
请参见图2，图2是本发明实施例在GGG(111)基片上生长YIG单晶外延薄膜的XRD图谱。图2表明薄膜YIG在GGG基底上是沿着<111>方向生长的，并且在XRD图谱中没有探测到杂相。
请参见图3，图3是本发明实施例在以GGG为基底的YIG(111)薄膜上生长SnTe异质结单晶外延薄膜的XRD图谱。图3表明薄膜SnTe在YIG(111) 薄膜上是沿着<100>方向生长的，并且在XRD图谱中没有探测到杂相。
请参见图4，图4是本发明实施例YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜的原子力形貌图，图示区域面积是5μm×5μm。从图4可以看出，薄膜显示出立方形状的晶粒，该薄膜的粗糙度在3nm以下。
请参见图5，图5是本发明实施例YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜的纵向电阻R随温度变化的曲线。从图5可以看出，随着温度的下降，SnTe薄膜的纵向电阻减小，表现为金属性行为。
请参见图6，图6为本发明实施例YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜，在温度为300K时去掉线性背底后的横向电阻RH随磁场的变化关系曲线。从图6中可以看出该薄膜具有反常霍尔效应特征。
所述真空系统是指气压小于等于10-4帕的封闭系统。本发明实施例中，所述真空系统可选为一装备了脉冲激光沉积装置的高真空系统。
所述超高真空系统是指气压小于等于10-8帕的封闭系统。本发明实施例中，所述超高真空系统可选为一装备了分子束外延生长装置的超高真空系统。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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