新型颗粒薄膜磁电阻器件及制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种Ni/P3HT颗粒薄膜磁电阻器件及其制备方法。该新型磁电阻器件在制备过程中采用旋涂与离子束沉积相结合的方法，该方法灵活简便，成本低，与现有薄膜工艺兼容性好，获得的薄膜质量较高，制得的磁电阻器件具有较高的室温磁电阻。
【专利说明】新型颗粒薄膜磁电阻器件及制备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型的Ni/P3HT颗粒薄膜磁电阻器件及制备方法。
【背景技术】
[0002]纳米磁性金属颗粒薄膜是一种由纳米尺度的磁性金属颗粒,随机地分布于绝缘母体材料中构成的人工结构纳米功能材料，材料通常由磁性金属颗粒和绝缘体母体两部分组成，具有不同于磁性金属或绝缘体母体的物理性能，如巨霍尔效应、高矫顽力、高频软磁性、磁电阻效应等新颖的物理性质。其中，纳米磁性金属颗粒薄膜的磁电阻效应由于具有高磁场灵敏度而被广泛应用于计算机读出磁头、磁敏传感器件等众多领域中，取得了显著的经济效益和社会效益。
[0003]目前绝大多数磁性金属颗粒薄膜是以无机半导体或绝缘体作为母体材料，已被广泛地研，金属纳米颗粒包括铁、钴、镍、坡莫合金、四氧化三铁等，绝缘体(或无机半导体)母体包括二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、锗等，而对有机半导体材料作为母体的颗粒薄膜磁电阻器件的研究很少。
[0004]与无机母体材料相比，有机半导体母体材料具有很多明显的优势:有机半导体材料主要由原子序数较小的C、H、O、N等元素组成，轨道-自旋耦合强度较低，内部超精细相互作用较弱，使得其自旋弛豫时间和弛豫距离比无机半导体高出几个数量级，是理想的半导体自旋传输介质，非常适合应用于磁性金属颗粒薄膜中。此外，以有机半导体材料为母体的电子器件还具有功耗低、重量轻、性能可调、可制作大面积柔性器件、可循环使用等很多优势，具有十分巨大的应用价值。但是，由于金属-有机半导体颗粒薄膜制备较困难，现有的制备多采用共蒸发的方法，而且研究的体系多以Co作为金属纳米材料，如:X.M.Zhao等人提供了一种Co/Alq3颗粒薄膜，研究了其磁电阻效应，在室温下得到-0.23%的负磁电阻(Journal of Magnetism and Mangetic Materials321,418-422, 2009) ；P.Sheng等人米用热蒸发的方法制备了一种Co/TH)颗粒薄膜,室温磁电阻为-0.3% (Journal of Alloys andCompounds, 477, 32-35, 2009) ；S.Tanabe等人也制备了一种Co-Alq3颗粒薄膜,室温磁电阻为-0.1% (AppliedPhysics Letters91,063123, 2007) ;T.Wen 等人制备了 Co/P3HT 颗粒薄膜，该薄膜没有出现室温磁电阻(AppliedPhysics Letters95,082509, 2009)。现有的研究成果表明有机颗粒薄膜的室温磁电阻较低，且研究体系十分有限，亟需扩大有机颗粒膜磁电阻器件的材料范围并获得更高的室温磁电阻。
[0005]本发明提供一种新型的Ni/P3HT颗粒薄膜，该颗粒薄膜以纳米Ni这种常见的铁磁材料作为颗粒薄膜中的金属颗粒，以聚三己基噻吩(P3HT)这种常见的有机半导体作为颗粒薄膜的母体，采用旋涂与离子束沉积结合的方法制备成新型的金属/有机半导体颗粒薄膜，并在低磁场下获得了 -0.46%的室温磁电阻。该制备方法避免了高温加热，减少了对材料结构的破坏，并可以方便地扩展到其它体系中，有望获得更高的室温磁电阻。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种新型的Ni/P3HT颗粒薄膜磁电阻器件，该器件在有机半导体P3HT薄膜上，通过离子束沉积的方法嵌入Ni的纳米颗粒，形成一种颗粒薄膜结构，与现有的Co基有机半导体颗粒薄膜相比，制备方法更加灵活，扩展性更强，室温磁电阻更高，该新型的Ν?/Ρ3ΗΤ颗粒薄膜磁电阻器件室温磁电阻可达到-0.46%以上。
[0007]本发明提供一种新型的Ni/P3HT颗粒薄膜磁电阻器件，其特征在于制备过程将旋涂与离子束沉积技术相结合。所述的合成方法具体步骤如下:
[0008]I)将有机半导体P3HT溶于三氯甲烷有机溶剂中，浓度为10mg/ml，在常温下避光搅拌24小时，使P3HT充分溶解均匀；
[0009]2)将步骤I)的混合溶液滴在清洁的玻璃衬底上，打开旋涂仪进行旋涂，旋涂仪转速为1000-4000rpm，旋涂时间为20_60s ；
[0010]3)将步骤2)的得到的覆盖有P3HT的玻璃片放入真空干燥箱，在80°C的温度下真空干燥10小时，得到P3HT薄膜；
[0011]4)将步骤3)得到的P3HT薄膜作为衬底安装在离子束沉积系统的基片转台上，抽真空，当真空室压强低于6.67 X IO-4Pa后开始沉积镍薄膜，得到最终的Ni/P3HT磁电阻器件； [0012]5)步骤4)所述的离子束沉积过程中，靶材选用99.99%的镍靶，衬底温度保持常温，衬底以20rpm的速率自转；
[0013]6)步骤4)所述的离子束沉积过程中，应向真空室通入99.999%的高纯Ar气，真空室的Ar气压强为1.4X 10_2Pa，Ar气流量为3sCCm，溅射束流为20mA，溅射能量为1000eV,溅射时间为20分钟。
[0014]本发明提供的新型Ni/P3HT颗粒薄膜磁电阻器件的制备方法，其特征在于该方法制备Ni/P3HT薄膜的过程中，步骤2)所述的旋涂仪转速优选2000rpm，旋涂时间优选30s。
[0015]本发明提供了一种新型的Ni/P3HT颗粒薄膜磁电阻器件及其制备方法，在器件的制备过程中采用旋涂与离子束沉积技术相结合的两步方法。其中，第一步旋涂工艺十分简便，不需要高温，可以方便地获得所需厚度的均匀的有机薄膜；第二步离子束沉积磁性金属颗粒，巧妙利用有机分子较大、薄膜疏松的特点，利用原子团本身的动能和热运动能量将磁性金属颗粒嵌入到有机层中去，在特定的沉积条件下，形成颗粒薄膜。这种方法灵活简便，不需要加热，与现有薄膜工艺兼容性好，且获得的薄膜质量较高。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是测量得到的Ni/P3HT颗粒薄膜的室温磁电阻曲线。
【具体实施方式】
[0017]下面将通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0018]实施例1
[0019]将50mg有机半导体P3HT溶于5ml三氯甲烷有机溶剂中，在常温下避光搅拌24小时，使P3HT充分溶解均匀；将混合溶液滴在清洁的玻璃衬底上，打开旋涂仪进行旋涂，旋涂仪转速设为2000rpm，旋涂时间为30s，得到覆盖有P3HT的玻璃片；将玻璃片放入真空干燥箱，在80°C的温度下真空干燥10小时，得到P3HT薄膜；使用中国科学院沈阳科仪中心生产的FJL560C双室超高真空磁控与离子束镀膜装置进行镍薄膜的制备:将制备好的P3HT薄膜基片安装在离子束沉积系统的基片转台上，抽真空，当真空室压强低于6.67X10_4Pa后开始沉积镍薄膜。沉积过程选用纯度为99.99%的镍作为溅射靶材，衬底温度保持常温并以20rpm的速率自转；沉积过程中向真空室通入99.999%的高纯Ar气，真空室的Ar气压强为1.4X 10_2Pa，Ar气流量为3sCCm，溅射束流为20mA，溅射能量为IOOOeV,溅射时间为20分钟。沉积完成后，关闭分子泵和机械泵，打开真空室，取出样品，得到最终的Ni/P3HT磁电阻器件。
[0020]采用Quantum Design公司的物理性质测试系统(PPMS-9)测量了所得颗粒薄膜的室温磁电阻曲线，测量结果如说明书附图1所示。从图中可以看出，该有机颗粒薄膜磁电阻器件在SkOe磁场下的室温磁电阻达到-0.46%。这里磁电阻定义为MR= (R0-Rh)/RqX 100%，其中Rtl表不在零磁场下的电阻，Rh表不在磁场下的电阻。
[0021]实施例2
[0022]将50mg有机半导体P3HT溶于5ml三氯甲烷有机溶剂中，在常温下避光搅拌24小时，使P3HT充分溶解均匀；将混合溶液滴在清洁的玻璃衬底上，打开旋涂仪进行旋涂，旋涂仪转速设为4000rpm，旋涂时间为30s，得到覆盖有P3HT的玻璃片；将玻璃片放入真空干燥箱，在80°C的温度下真空干燥10小时，得到P3HT薄膜；使用中国科学院沈阳科仪中心生产的FJL560C双室超高真空磁控与离子束镀膜装置进行镍薄膜的制备:将制备好的P3HT薄膜基片安装在离子束沉积系统的基片转台上，抽真空，当真空室压强低于6.67X10_4Pa后开始沉积镍薄膜。沉积过程选用纯度为99.99%的镍作为溅射靶材，衬底温度保持常温并以20rpm的速率自转；沉积过程中向真空室通入99.999%的高纯Ar气，真空室的Ar气压强为
1.4X 10_2Pa，Ar气流量为3sCCm，溅射束流为20mA，溅射能量为IOOOeV,溅射时间为20分钟。沉积完成后，关闭分子泵和机械泵，打开真空室，取出样品，得到最终的Ni/P3HT磁电阻器件。
[0023]采用Dektak3表面形貌仪测量得到薄膜厚度约为60纳米。
【权利要求】
1.一种新型的Ni/P3HT颗粒薄膜磁电阻器件，其特征在于在有机半导体P3HT薄膜上，通过离子束沉积的方法嵌入Ni的纳米颗粒，形成一种颗粒薄膜结构。
2.如权利要求1所述的Ni/P3HT颗粒薄膜磁电阻器件的制备方法，其特征在于制备过程将旋涂与离子束沉积技术相结合，具体步骤如下: 1)将有机半导体P3HT溶于三氯甲烷有机溶剂中，浓度为10mg/ml，在常温下避光搅拌24小时，使P3HT充分溶解均匀； 2)将步骤I)的混合溶液滴在清洁的玻璃衬底上，打开旋涂仪进行旋涂，旋涂仪转速为1000-4000rpm，旋涂时间为 20_60s ； 3)将步骤2)的得到的覆盖有P3HT的玻璃片放入真空干燥箱，在80°C的温度下真空干燥10小时，得到P3HT薄膜； 4)将步骤3)得到的P3HT薄膜作为衬底安装在离子束沉积系统的基片转台上，抽真空，当真空室压强低于6.67 X IO-4Pa后开始沉积镍薄膜，得到最终的Ni/P3HT磁电阻器件； 5)步骤4)所述的离子束沉积过程中，靶材选用99.99%的镍靶，衬底温度保持常温，衬底以20rpm的速率自转； 6)步骤4)所述的离子束沉积过程中，应向真空室通入99.999%的高纯Ar气，真空室的Ar气压强为1.4X 10_2Pa，Ar气流量为3sCCm，溅射束流为20mA，溅射能量为IOOOeV,溅射时间为20分钟。
3.如权利要求2所述的制备Ni/P3HT颗粒薄膜磁电阻器件的方法，其特征在于所述的旋涂仪转速优选2000rpm，旋涂时间优选30s。
【文档编号】H01L43/12GK104009153SQ201410242631
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】程雅慧, 贺婕, 刘晖, 刘孟寅 申请人:南开大学