专利名称：具有低温磁电阻效应的外延Ti<sub>0.53</sub>Cr<sub>0.47</sub>N薄膜材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及自旋电子学材料技术，特别是一种具有较高自旋极化率的新型铁磁材料及制备方法，更具体地，是一种具有低温磁电阻效应的Tia53Cra47N外延薄膜材料及制备方法。
背景技术：
近年来，由于在磁信息存储和读取方面具有巨大的应用前景，自旋电子学材料备受关注。2007年的诺贝尔物理学奖授予了自旋电子学的开创者Albert !^ert和Peter Grunberg两位教授。现在，如何获取高自旋极化的电流仍然是自旋电子学领域的热点问题之一。获得高自旋注入的办法主要有选择高自旋极化率的电极材料，特别是能和半导体材料复合在一起的具有高自旋极化率的铁磁性材料。第一性原理计算表明，Fe3O4、La1^xAxMnO3 (LAM0，A为碱土元素Ca、Sr和Ba等)、 CrO2, NiMnSb等材料的能带结构介于金属和绝缘体之间，被称为半金属材料。对于一个自旋方向，半金属材料的能带结构具有金属特性，在费米面附近具有一定的态密度；而对另一种自旋方向，其能带结构具有绝缘体特性，在费米面附近态密度为零或电子是局域化的。因此，从理论上讲，半金属材料应具有100%的自旋极化率。但是迄今为止，对于!^e3O4材料， 在实验上并没有得到高的自旋极化率，也不清楚!^e3O4是否具有半金属特性，尤其是在室温条件下。LAMO和CrO2材料的居里温度都比较低，不能满足实际应用的要求。Heusler合金的结构比较复杂，价格也比较贵，不容易制备，并不利于实际生产。因此，寻找具有高自旋极化率的新型铁磁性电极材料是进一步发展自旋电子学器件的关键因素和研究热点。氮化钛晶体属立方晶系，面心立方结构，其晶格常数a = 0. 42173nm。氮化钛薄膜具有优异的机械、热、电和防腐性能，由于硬度高、摩擦系数低，被广泛用作模具、刀具等的耐磨改性层；由于抗磨损、防腐性能好、熔点高、高温稳定性好，被广泛用于飞行器和火箭等航空航天零部件；由于导电、导热性能好，在微电子领域中常用作阻挡层。如果将磁性元素掺杂到氮化钛体系中，如能获得即具有磁性有导电的材料，将会推动氮化钛材料的新用途。目前，国内外的实验报道中只有日本的K. Inumaru等人在APPLIED PHYSICS LETTERS 91，152501 (2007)上报道的采用脉冲激光沉积方法制备高Cr含量掺杂的TiN外延薄膜中发现磁电阻现象；为了对比研究他们还在PHYSICAL REVIEW B 78,052406(2008)上报道了采用化学方法制备的高Cr含量掺杂的TiN固溶体中发现了同样的现象。但是样品的居里温度低于室温，不能达到实际应用的要求。另外，实际应用中多以薄膜材料为主，制备方法多采用溅射法。但到目前为止国际上并没有关于采用溅射法制备Cr掺杂TiN外延薄膜的相关报道。
发明内容
从工业化生产的角度来讲，需要使用溅射法来制备样品；从实际应用上需要制备的样品具有较高的自旋极化率。本发明即从以上两个目的出发，开发了反应磁控溅射法制备Tia53Cra47N外延薄膜，并且观察到低温磁电阻效应，证明具有较高的自旋极化率。本发明制备的具有低温磁电阻效应的外延薄膜材料，材料为Tia53Cra47N,在温度为涨和磁场为50k0e下，磁电阻为6%。Tia53Cra47N外延薄膜材料的制备方法，方法如下本发明在制备Tia 53Cr0.47N外延薄膜时，所采用的基底材料为MgO (100)单晶片。本发明的具体制备方法是经过如下步骤实现的Tia53Cra47N外延薄膜材料的制备方法，方法如下1)采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，基底材料为MgO (100)单晶片，在对向的靶头上安装一对纯度为99. 99 %的Ti靶， 一头作为磁力线的N极，另一头为S极；Ti靶材厚度为4mm，直径为60mm ；为了掺入Cr，在 Ti靶的表面均勻放置Cr片，Cr片的面积为6mm2，Cr片的数量为200片，通过成分分析得到样品中Cr相对于Cr和Ti原子数总和的原子百分含量为47%;两个靶之间的距离为80mm， 靶的轴线与放有MgO基底材料的样品架之间的距离为80mm ；2)将MgO基底材料通过超声波的方式将表面杂质清除后，将MgO基底材料安装在对向靶连线的中垂线处的基片架上；3)开启DPS-III超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于6X 10-6 ；4)向真空室通入纯度为99. 999%的Ar和N2的混合气体，将真空度保持在lPa，其中Ar气的流量为50sccm，N2气的流量为50sccm ；5)将MgO基底材料温度以10°C /秒的速度升至550°C ；6)开启溅射电源，在一对Ti靶上施加0. 2A的电流和800V的直流电压，预溅射10 分钟，等溅射电流和电压稳定；7)打开基片架上的档板开始溅射，MgO基底材料位置固定；8)溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar 和N2,完全打开闸板阀，继续抽真空，并且将MgO基底材料温度以5°C /min的降温速率降至室温，然后关闭真空系统。向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，打开真空室，取出MgO基底材料上外延生长的Tia53Cra47N薄膜样品。本发明所涉及的Tia 53Cr0.47N外延薄膜在自旋电子学器件上具有应用价值，例如在磁性随机存储器中可以作为自旋注入材料层，并且本发明采用反应溅射法是工业上生产薄膜材料的方法、靶材选择简单和靶材使用率较高等优点。为确认本发明最佳的实施方案，我们对本发明所制备的薄膜进行了 X射线衍射， 磁性质和电输运特性的测量。图1给出了本发明中制备的Tia53Cra47N外延薄膜的X射线衍射谱。从图中可以看出，只出现了 Tia53Cra47NOOO)和G00)的衍射峰，说明样品为外延生长的薄膜样品。图2给出了本发明中制备的Tia53Cra47N外延薄膜在15K下的磁化曲线。从图中可以看出，样品表现为铁磁性。图3给出了本发明制备的Tia53Cra47N外延薄膜的电阻率随温度的变化关系曲线。 从图中可以看出，在高温处，样品的电阻率随着温度的降低而降低，在120K处出现转变，并在低温处，出现电阻率随着温度的降低而升高的现象。图4给出了本发明制备的Tia53Cra47N外延薄膜的涨下的磁电阻随外加磁场的变化关系曲线。从图中可以看出，样品的磁电阻为6%，并且在50k0e的磁场下仍然未达到饱和。与其它方法制备的Tia53Cr“小外延薄膜的方法相比，本发明所制备的薄膜具有低温磁电阻效应，所采用的方法简单实用，有利于在工业生产上的推广。具体如下由于目前工业化生产所采用的主要方法是溅射法，本发明所采用的反应溅射法， 与 K. humaru 等人在 APPLIED PHYSICS LETTERS 91,152501 (2007)和 PHYSICAL REVIEW B 78,052406(2008)上报道的脉冲激光沉积和化学方法相比，在工业化生产上具有明显优势。
图1给出了本发明中制备的Tia53Cra47N外延薄膜的X射线衍射谱。图2给出了本发明中制备的Tia53Cra47N外延薄膜在15K下的磁化曲线。图3给出了本发明制备的Tia53Cra47N外延薄膜的电阻率随温度的变化关系曲线。图4给出了本发明制备的Tia53Cra47N外延薄膜的涨下的磁电阻随外加磁场的变化关系曲线。
具体实施例方式根据我们对本发明中所制备的样品进行的结构和性质分析，下面将对向靶反应溅射方法制备Tia53Cra47N外延薄膜的最佳实施方式进行详细地说明1、采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，基底材料为MgO(100)单晶片，在对向的靶头上安装一对纯度为99. 99%的Ti靶， 一头作为磁力线的N极，另一头为S极；Ti靶材厚度为4mm，直径为60mm ；为了掺入Cr，在 Ti靶的表面均勻放置Cr片，Cr片的面积为6mm2，Cr片的数量为200片，通过成分分析得到样品中Cr相对于Cr和Ti原子数总和的原子百分含量为47%;两个靶之间的距离为80mm， 靶的轴线与放有MgO基底材料的样品架之间的距离为80mm ；2、将MgO基底材料通过超声波的方式将表面杂质清除后，将MgO基底材料安装在对向靶连线的中垂线处的基片架上；3、开启DPS-III超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于6X 10-6 ；4、向真空室通入纯度为99. 999%的Ar和N2的混合气体，将真空度保持在lPa，其中Ar气的流量为50sccm，N2气的流量为50sccm ；5、将MgO基底材料温度以10°C /秒的速度升至550°C ；6、开启溅射电源，在一对Ti靶上施加0. 2A的电流和800V的直流电压，预溅射10 分钟，等溅射电流和电压稳定；7、打开基片架上的档板开始溅射，MgO基底材料位置固定；8、溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar 和N2,完全打开闸板阀，继续抽真空，并且将MgO基底材料温度以5°C /min的降温速率降至室温，然后关闭真空系统。向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，打开真空室，取出MgO基底材料上外延生长的Tia53Cra47N薄膜样品。 我们对本发明所制备的薄膜进行了 X射线衍射，磁性质和电输运特性的测量，结果如图1、2、3、4所述。
权利要求
1.具有低温磁电阻效应的外延薄膜材料，其特征是外延薄膜材料为Tia53Cra47N,在温度为涨和磁场为50k0e下，磁电阻为6%。
2.权利要求1的外延薄膜材料的制备方法，其特征是方法如下1)采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，基底材料为MgO (100)单晶片，在对向的靶头上安装一对纯度为99. 99%的Ti靶，一头作为磁力线的N极，另一头为S极；Ti靶材厚度为4mm，直径为60mm ；为了掺入Cr，在Ti靶的表面均勻放置Cr片，Cr片的面积为6mm2，Cr片的数量为200片，通过成分分析得到样品中Cr相对于Cr和Ti原子数总和的原子百分含量为47%;两个靶之间的距离为80mm，靶的轴线与放有MgO基底的基片架之间的距离为80mm ；2)将MgO基底材料通过超声波的方式将表面杂质清除后，将MgO基底材料安装在对向靶连线的中垂线处的基片架上；3)开启DPS-III超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于6X 10-6 ；4)向真空室通入纯度为99.999%的Ar和N2的混合气体，将真空度保持在lPa，其中Ar 气的流量为50sccm，N2气的流量为50sccm ；5)将MgO基底材料温度以10°C/秒的速度升至550°C ；6)开启溅射电源，在一对Ti靶上施加0.2A的电流和800V的直流电压，预溅射10分钟，等溅射电流和电压稳定；7)打开基片架上的档板开始溅射，MgO基底材料位置固定；8)溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar和N2, 完全打开闸板阀，继续抽真空，并且将MgO基底材料温度以5°C /min的降温速率降至室温， 然后关闭真空系统。向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，打开真空室，取出MgO基底上外延生长的Tia53Cra47N薄膜样品。
全文摘要
本发明涉及具有低温磁电阻效应的Ti0.53Cr0.47N外延薄膜材料及制备方法。外延薄膜材料为Ti0.53Cr0.47N，在温度为5K和磁场为50kOe下，磁电阻为6％。采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，基底材料为MgO(100)单晶片，在对向的靶头上安装一对纯度为99.99％的Ti靶，一头作为磁力线的N极，另一头为S极；在Ti靶的表面均匀放置Cr片，通过抽真空、预溅射、温度调整、电流电压的控制等条件的选择，制备了MgO基底材料上外延生长的Ti0.53Cr0.47N薄膜样品。本发明所制备的薄膜具有低温磁电阻效应，所采用的方法简单实用，有利于在工业生产上的推广。
文档编号C23C14/06GK102418069SQ20111032575
公开日2012年4月18日 申请日期2011年10月24日 优先权日2011年10月24日
发明者段秀峰, 白海力, 米文博 申请人:天津大学