具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜及制备方法
阅读说明：本技术 具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜及制备方法 (Compensating ferrimagnetic film with half-metallic property and preparation method thereof ) 是由 赵旭鹏 孙宏利 赵建华 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：一种具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜,包括：基片(1),平滑层(2),生长于基片(1)上,为磁性层(3)提供良好的界面和晶格匹配,磁性层(3),生长于平滑层(2)上,具有半金属性和补偿亚铁磁性,覆盖层(4),生长于磁性层(3)上,具有保护薄膜的作用。本公开还提供了该补偿亚铁磁薄膜的制备方法。该补偿亚铁磁薄膜具有半金属性和补偿亚铁磁性,具有低净磁矩和高自旋极化度等优越性质,在自旋电子学领域具有很大的发展前景。(A compensated ferrimagnetic film having half-metallic properties, comprising: the magnetic thin film comprises a substrate (1), a smooth layer (2) growing on the substrate (1) and providing good interface and lattice matching for a magnetic layer (3), the magnetic layer (3) growing on the smooth layer (2) and having semimetallicity and compensation ferrimagnetism, and a covering layer (4) growing on the magnetic layer (3) and having the function of protecting the thin film. The disclosure also provides a preparation method of the compensation ferrimagnetic film. The compensation ferrimagnetic film has half-metallic and compensation ferrimagnetic properties, has excellent properties of low net magnetic moment, high spin polarizability and the like, and has great development prospect in the field of spin electronics.)
技术领域
本公开涉及自旋电子学技术领域，尤其涉及一种具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜及制备方法。
背景技术
在传统的自旋电子学器件中，铁磁材料通常被用来作为器件的核心功能层，即自旋相关输运特性主要由铁磁层来调控。然而，随着器件单元的持续小型化，器件的铁磁体中逐渐产生超顺磁性。与此同时，铁磁杂散场的存在使得基本单元之间容易相互干扰。这些负面效应极大降低了器件的可靠性和稳定性，导致集成密度难以进一步提高。
随着科学研究的不断深入，人们发现磁矩交错反平行排列的反铁磁材料在一些方面拥有比铁磁材料更加优越的性质，磁矩完全补偿的反铁磁材料具有对外磁场不敏感且净磁矩为零的特性。然而，对反铁磁体自旋状态的高效探测和调控的研究仍然面临较大挑战，这些问题有望在亚铁磁材料中得到较为综合性的解决。与反铁磁材料类似，亚铁磁材料中存在两套未完全补偿的自旋子晶格，其宏观净磁矩较低且具有超快自旋动力学。因此，亚铁磁材料兼具反铁磁材料的低宏观磁矩、高频动力学和铁磁材料的易读写特性，在新型低功耗、高密度和非易失性SOT型器件中有着重要的潜在应用价值。
此外，自旋极化度是衡量磁性材料在费米能级附近电子自旋取向排布情况的重要物理参量，在巨磁电阻效应、隧穿磁电阻效应和自旋注入等自旋电子学物理效应中扮演着重要角色。因此，高性能自旋电子学器件的设计和实现通常要求磁性功能层材料具有较高的自旋极化度。例如，当使用高自旋极化度的铁磁材料作为自旋注入源，特别是具有100％自旋极化度的半金属材料，可以实现高效率的自旋注入，对于未来自旋场效应晶体管(Spin-FET)的实现将起到积极推动作用。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜及制备方法。
本公开的一个方面提供了一种具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜，包括：基片；平滑层，生长于所述基片上，为磁性层提供良好的界面和晶格匹配；磁性层，生长于所述平滑层上，具有半金属性和补偿亚铁磁性；覆盖层，生长于磁性层上，具有保护薄膜的作用。
可选地，所述磁性层包括种子层和磁性单晶薄膜层，其中，种子层生长于所述平滑层之上，为D03结构，所述磁性单晶薄膜生长于所述种子层之上。
可选地，所述种子层和磁性单晶薄膜层的材料均为Mn3A1，总厚度为1～100nm。
可选地，所述基片的材料为GaAs、Si、MgO、SiC、玻璃或蓝宝石。
可选地，所述平滑层的材料为GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd，厚度为5～200nm。
可选地，所述覆盖层的材料为Pt、Ta、Al或Pd，厚度为1～5nm。
本公开另一方面提供了一种具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜的制备方法，包括：将基片放置于分子束外延制备腔室中除气脱氧；在所述基片上依次制备平滑层、磁性层和覆盖层，形成磁性薄膜结构；将所述磁性薄膜结构进行真空退火；其中，所述磁性层具有半金属性和补偿亚铁磁性。
可选地，所述磁性层包括种子层和磁性单晶薄膜层，制备所述磁性层包括：将所述基片温度降至50℃，按照0.8nm/min的生长速率，在所述平滑层上生长所述种子层；待所述种子层生长完毕后，将所述基片温度升至300℃，保持10min，形成D03结构；将所述基片温度降为250℃，按照0.8nm/min的生长速率，生长磁性单晶薄膜层，直至所述磁性层达到第二预设厚度为止；其中，所述磁性层的材料为Mn3Al，第二预设厚度为1～100nm。
可选地，制备所述平滑层包括：将所述基片温度升至560℃后，按照10nm/min的生长速率，在所述基片上沉积生长所述平滑层，当所述平滑层厚度达到第一预设厚度为止；其中，所述平滑层的材料为GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd，第一预设厚度为5～200nm。
可选地，制备所述覆盖层包括：将所述基片温度控制为50℃，在所述磁性层上生长所述覆盖层，直至所述覆盖层达到第三预设厚度为止；其中，所述覆盖层的材料为Pt、Ta、A1或Pd，第三预设厚度为1～5nm。
在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本公开设计了一种具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜结构，该具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜则将亚铁磁体和半金属性这两种性质有机结合起来，在保持100％自旋极化度的同时具有理论为零的净磁矩，在自旋电子学领域具有很大的发展前景。本公开提供了该补偿亚铁磁薄膜结构的制备方法，采用了“两步生长法”，分离了晶体成核与生长的过程，结合超高真空环境与退火工艺，以此方法所制备的上述半金属性补偿亚铁磁薄膜具有良好的单晶结构，并且具有低净磁矩和高自旋极化度等优越性质，与理论预测相吻合。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜结构的示意图；
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜制备方法的流程图；
图3示意性示出了本公开实施例中的半金属性补偿亚铁磁薄膜的磁滞回线；
图4为示意性示出了本公开实施例中的半金属性补偿亚铁磁薄膜的输运特性曲线。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜结构的示意图。
如图1所示，本公开实施例提供了一种具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜，包括：基片1；平滑层2，磁性层3，覆盖层4。
其中，平滑层2生长于所述基片1上，为磁性层3提供良好的界面和晶格匹配；磁性层3生长于所述平滑层2上，具有半金属性和补偿亚铁磁性；覆盖层4生长于磁性层3上，具有保护薄膜的作用。
在本公开实施例中，所述磁性层3包括种子层和磁性单晶薄膜层(图1中未示出)，材料均为Mn3Al，总厚度为1～100nm，其中，种子层生长于所述平滑层2之上，为D03结构，所述磁性单晶薄膜生长于所述种子层之上。种子层有利于最大程度上抑制磁性薄膜和衬底之间的界面反应和原子互扩散。
基片1的材料可以为GaAs、Si、MgO、SiC、玻璃或蓝宝石。
平滑层2的材料可以为GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd，厚度为5～100nm。在基片1衬底上生长了平滑层2，目的在于获得更加平整的界面，为磁性层3提供良好的界面和晶格匹配。
覆盖层4的材料可以为Pt、Ta、Al或Pd，厚度为1～5nm。由于制备磁性层3的Mn3Al容易氧化，覆盖层4可以起到保护薄膜和防止氧化的作用。
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜制备方法的流程图。
如图2所示，该方法包括步骤S210～S230。
S210，将基片1放置于分子束外延制备腔室中除气脱氧。
S220，在所述基片1上依次制备平滑层2、磁性层3和覆盖层4，形成磁性薄膜结构。
其中，所述磁性层3包括种子层和磁性单晶薄膜层，制备所述磁性层3包括S221～S223。
S221，将所述基片1温度降至50℃，按照0.8nm/min的生长速率，在所述平滑层2上生长所述种子层。
S222，待所述种子层生长完毕后，将所述基片1温度升至300℃，保持10min，形成D03结构。
S223，将所述基片1温度降为250℃，按照0.8nm/min的生长速率，生长磁性单晶薄膜层，直至所述磁性层3达到第二预设厚度为止。
其中，种子层和磁性单晶薄膜层的材料均为Mn3Al，第二预设厚度为1～100nm。
将种子层退火后形成D03结构，在低温下沉积0.8nm厚的Mn3Al种子层有利于最大程度上抑制磁性薄膜和衬底之间的界面反应和原子互扩散。
该方法采用了“两步生长法”，分离了晶体成核与生长的过程，结合超高真空环境与退火工艺，以此方法所制备的上述半金属性补偿亚铁磁薄膜具有良好的单晶结构，并且具有低净磁矩和高自旋极化度等优越性质。
制备所述平滑层2包括S224：
S224，将所述基片1温度升至560℃后，按照10nm/min的生长速率，在所述基片1上沉积生长所述平滑层2，当所述平滑层2厚度达到第一预设厚度为止。
其中，所述平滑层2的材料为GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd，第一预设厚度为5～100nm。
在基片1上生长平滑层2，目的在于获得更加平整的晶格界面。
制备所述覆盖层4包括S225：
S225，将所述基片1温度控制为50℃，在所述磁性层3上生长所述覆盖层4，直至所述覆盖层4达到第三预设厚度为止。
其中，所述覆盖层4的材料为Pt、Ta、A1或Pd，第三预设厚度为1～5nm。
覆盖层4起到保护磁性层3、防止磁性层3氧化的作用
S230，将所述磁性薄膜结构进行真空退火。
根据上述方法制备的补偿亚铁磁薄膜，具有良好的单晶结构，其磁性层3具有半金属性和补偿亚铁磁性，具有低净磁矩和高自旋极化度等优越性质。
下面将提供一种具有半金属性的补偿亚铁磁薄膜具体的制备方法，具体步骤如下。
步骤1，将本征半绝缘的GaAs衬底放入分子束外延(MBE)制备腔室，腔室真空度高于2×10-7Pa。除气脱氧后，将衬底温度升至560℃，沉积GaAs平滑层2，生长速率为10nm/min，厚度为200nm；
步骤2，将衬底温度降至50℃，生长Mn3Al种子层，生长速率约为0.8nm/min，厚度为0.8nm。随后将衬底温度升至300℃，保持10min。
步骤3，保持衬底温度为250℃，继续生长Mn3Al单晶薄膜，生长速率约为0.8nm/min，厚度为30nm。
步骤4，将衬底温度降至50℃，生长一层Al覆盖层4，厚度为3nm。由于Al可以在空气中发生氧化反应形成致密的Al2O3，对结构起到保护作用。最终得到结构为：GaAs/GaAsbuffer/Mn3Al/Al的磁性薄膜结构；
步骤5，对步骤4中所制备的磁性薄膜结构进行真空退火。
本实施实例在材料制备过程中，在GaAs衬底上生长了200nm厚的GaAs过渡层，目的在于获得更加平整的GaAs界面。在低温下沉积0.8nm厚的Mn3Al种子层有利于最大程度上抑制磁性薄膜和衬底之间的界面反应和原子互扩散。将种子层退火后形成D03结构，进行后续薄膜生长。由于上述材料在空气中易氧化，生长3nm的Al作为覆盖层4，起到保护薄膜和防止氧化的作用。
图3给出了GaAs/GaAs buffer/Mn3Al/Al磁性薄膜结构在面内[110]方向的磁滞回线，如3表明磁性层3具有较低的饱和磁化强度，处于几乎完全补偿的亚铁磁状态。
图4给出了GaAs/GaAs buffer/Mn3Al/Al磁性薄膜结构的电阻随温度的变化，图4表明磁性层3具有金属与半导体相结合的输运性质，符合半金属特性。
结合图3、图4可以看出，本公开实施例提供的方法制备的磁性薄膜结构同时具有亚铁磁体和半金属性，可以将亚铁磁体和半金属性这两种性质有机结合起来，在保持100％自旋极化度的同时具有理论为零的净磁矩，在自旋电子学领域具有很大的发展前景。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。