一种外延生长具有垂直磁各向异性的钇铁石榴石纳米薄膜的方法与流程

本发明属于磁性材料各向异性调控技术领域，具体涉及一种通过外延应力在钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂,缩写为YIG)纳米薄膜中诱导产生垂直各向异性的方法。

背景技术：

钇铁石榴石是一种铁磁绝缘体，是目前已知材料中自旋阻尼最小的材料，因此有较长的自旋扩散长度，是研究自旋输运性质的优良载体。另外，钇铁石榴石具有优异的磁光特性，是常用的微波器件。而具有垂直磁各向异性的钇铁石榴石外延薄膜在微波器件和自旋电子学器件方面有重要的应用。过去为了获得高晶体质量的垂直磁各向异性的钇铁石榴石外延薄膜，最常用的制备方法是液相外延技术(LPE)。但LPE适合制备微米级厚度的薄膜，很难在纳米尺度控制薄膜的厚度。随着器件集成要求的提高，小尺寸器件要求钇铁石榴石薄膜的厚度更薄，因此常使用厚度控制更精确的溅射法或者脉冲激光沉积法(PLD)来制备纳米级厚度的外延薄膜。但是由于纳米尺寸厚度的钇铁石榴石薄膜的形状各项异性增大，以至于它本身的磁晶各向异性不足以克服形状各向异性，因此纳米尺度的钇铁石榴石薄膜倾向于易面磁各向异性，而很难具有垂直磁各向异性。于是，制备具有垂直各向异性纳米厚度的外延钇铁石榴石薄膜成为了一个难题。

在过去的研究中，研究者使用应力调控的方法，在大晶格常数的单晶衬底上生长纳米厚度的稀土离子掺杂或者替代的铁石榴石薄膜(例如Tm₃Fe₅O₁₂)，这些掺杂或替代的材料磁弹系数较大，通过应力诱导出的各向异性来克服形状各向异性，可以较容易的获得垂直磁各向异性的纳米薄膜。但由于钇铁石榴石的磁弹系数相对较小，诱导产生相同大小的磁各向异性需要更大的应力。另一方面，大的失配应力下钇铁石榴石薄膜容易发生应变驰豫，造成的结果就是提供不了足够大的应力诱导磁各向异性来克服形状各向异性。由于很难克服的应变驰豫而提供高的诱导磁各向异性，该方法目前并未在纯的钇铁石榴石薄膜中同时实现纳米厚度和垂直磁各向异性。

技术实现要素：

本发明在前人研究的基础上，改进制备工艺，引入缓冲层，克服了面内的应变驰豫，获得了较高的诱导磁各向异性，最终克服了形状各向异性，外延生长了具有垂直磁各向异性的钇铁石榴石纳米薄膜。

本发明采用的技术方案如下：

一种外延生长具有垂直磁各向异性的钇铁石榴石纳米薄膜的方法，首先在衬底上外延生长一缓冲层，然后在所述缓冲层上外延生长钇铁石榴石纳米薄膜。

进一步地，所述缓冲层为晶格常数介于衬底和钇铁石榴石之间的材料。

进一步地，所述衬底为掺杂替代的钆镓石榴石，所述缓冲层为钐镓石榴石。

进一步地，在所述钇铁石榴石纳米薄膜上再外延生长一层晶格常数大于钇铁石榴石的材料，以加大垂直方向的应变程度。

进一步地，采用脉冲激光沉积、磁控溅射真空镀膜、热蒸发、化学气相沉积等方法制备所述缓冲层和所述钇铁石榴石纳米薄膜。

一种脉冲激光沉积装置，用于外延生长具有垂直磁各向异性的钇铁石榴石纳米薄膜，该装置包含钇铁石榴石靶材，以及用于在衬底上外延生长缓冲层的靶材。

进一步地，所述用于在衬底上外延生长缓冲层的靶材为钐镓石榴石靶材；所述衬底的材料为掺杂替代的钆镓石榴石。

本发明利用缓冲层克服了面内的应力驰豫问题，获得了较高的诱导磁各向异性，最终获得了具有垂直磁各向异性的高质量外延钇铁石榴石纳米薄膜。对于磁光器件和自旋电子学器件的研究和应用具有重大的意义。

附图说明

图1为脉冲激光沉积技术制备原理示意图。

图2为双层结构示意图。

图3为三层结构示意图。

图4为双层结构磁性测量结果。

图5为三层结构磁性测量结果。

图6为截面透射电镜图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明主要利用应力诱导磁各向异性来克服钇铁石榴石纳米厚度薄膜的形状各向异性，从而产生垂直磁各向异性。应力诱导磁各向异性的本质原理是利用材料的磁弹性能，在晶格畸变的情况下产生一个磁矩排列的易轴方向，畸变越大这个易轴越强。其中的数学关系可以用以下公式描述(E.A.Giess and D.C.Cronemeyer,Appl.Phys.Lett.22,11(1973).)：

其中，K_indu是应力诱导出的磁各向异性能密度，λ₁₁₁＝-2.4×10^-6为钇铁石榴石的磁弹系数，σ为<111>方向产生的应力，该应力由垂直方向的应变来计算。为应力计算公式，其中d为无应变下的晶面间距，Δd为应力情况下，晶面间距的变量，表示了晶格程度，E为钇铁石榴石的杨氏模量(约为2×10¹²dyne/cm²)，v为泊松比(约为0.29)。

最终总的有效磁各向异性由几个主要的各向异性叠加而成：K_eff＝K_cryst+K_indu+K_shap。其中K_eff，K_cryst，K_shape分别是有效磁各向异性能密度，磁晶各向异性能密度和形状各向异性能密度。根据文献手册可知(W.H.Von Aulock,Handbook of Microwave Ferrite Materials,Academic,London,(1965).)，对于钇铁石榴石块材有K_{cryst＜111＞}＝-5.7×10³erg/cm³，饱和磁化强度为M_s＝1750G，可以计算出当K_eff＜0时，薄膜将表现出垂直各向异性，因此要求K_indu＜-116.2×10³erg/cm³。由此可以计算出垂直方向需要的应变最小为-1.16％。从文献资料中可知，无应力下钇铁石榴石晶为立方晶体，晶格常数a＝12.3

本技术方案中使用常见的脉冲激光沉积技术(PLD)来制备高质量的外延纳米薄膜。PLD制备薄膜的原理如图1所示：在真空和加热等物理条件下，聚焦的高能脉冲激光打到预先制备好的靶材上，瞬间的脉冲激光将靶材轰击成高能等离子体喷射出来形成羽辉，喷射出的元素在沉底上沉积下来，形成厚度可控的高质量纳米薄膜。为了提供足够的应力，一般会选用一种掺杂替代的钆镓石榴石衬底(substituted-Gd₃Ga₅O₁₂，缩写为SGGG)来外延生长，其晶格常数在掺杂替代的钆镓石榴石衬底(111)晶面上外延生长钇铁石榴石薄膜，其晶格失配度约为-1.4％，如果薄膜的晶胞体积保持不变且面内完全共格生长，理论上可以在垂直方向产生约-2.8％的应变，将足以提供所需应力。但实际过程中，大的晶格失配容易导致面内应变弛豫，大大降低由于晶格畸变在垂直方向上产生的应变。并且由于材料生长过程中缺陷的存在，将进一步降低垂直方向上的应变。

一般的方法中，由于衬底和钇铁石榴石薄膜之间的晶格失配太大而容易发生面内的应变弛豫。如果发生应变弛豫，将很难在垂直方向提供足够的应力来诱导强的磁各向异性。为了克服大应力下，薄膜面内的晶格应变弛豫问题，本发明中加入了一个应力缓冲层。该缓冲层选择的材料是钐镓石榴石(Sm₃Fe₅O₁₂，缩写为SmGG)，结构如图2所示。一般地，本发明中缓冲层为晶格常数介于衬底SGGG和钇铁石榴石之间的材料即可，不限于SmGG。该缓冲层有效的抑制了面内的应变弛豫，这使得垂直方向能够产生更大的应力，诱导出更大的磁各向异性。本方案中，缓冲层生长厚度为1～4nm，优选为2.5nm，钇铁石榴石薄膜厚度10～30nm，优选为20nm，最终在垂直方向上获得了超过了1％的应变(约为1.3％)，所诱导出的磁各向异性完全克服了形状各向异性，实现了纳米尺度外延生长钇铁石榴石薄膜的垂直磁各向异性。

为了获得更大的垂直方向的应变，还可以在生长好的钇铁石榴石薄膜上方再覆盖一层晶格常数大于钇铁石榴石的材料，做成如图3所示的SmGG/YIG/SmGG结构。经过验证，该结构能在一定范围内加大垂直方向能获得的应变程度。

实施例1：

本实施例所采用的步骤如下：

1.制备高纯度的钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂)和钐镓石榴石(Sm₃Ga₅O₁₂)靶材。设定靶材与衬底的间距为6cm(这个间距将影响沉积速率)。将SGGG衬底在真空度优于4×10^-4Pa的真空腔室中加热到800-900℃预处理。

2.向真空腔室内充入高纯氧气，调节气压到20Pa；

3.在衬底为800-950℃的条件下，调节激光能量密度为约1.8J/cm²，脉冲频率6Hz，使用聚焦的脉冲激光束轰击预先烧制好的钐镓石榴石靶材，沉积缓冲层。通过激光脉冲的数量来控制缓冲层的生长厚度到2.5nm。沉积结束后原位退火30分钟。

4.在与前一步相同的条件下，切换靶材，用激光束轰击钇铁石榴石靶材，控制生长厚度到20nm，快速冷却到室温。生长出如图2所示的结构。

5.使用磁光克尔系统进行磁性测量。

磁性测量结果如图4所示，从图中可以看出，垂直于薄膜方向的磁滞回线饱和场小于平行于面的方向，因此说明已经成功制备出具有垂直各向异性的钇铁石榴石薄膜。

实施例2：

本实施例所采用的步骤如下：

1.制备高纯度的钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂)和钐镓石榴石(Sm₃Ga₅O₁₂)靶材。设定靶材与衬底的间距为6cm(这个间距将影响沉积速率)。将SGGG衬底在真空度优于4×10^-4Pa的真空腔室中加热到800-900℃预处理。

2.向真空腔室内充入高纯氧气，调节气压到20Pa；

3.在衬底为800-950℃摄氏度的条件下，调节激光能量密度为～2J/cm²，脉冲频率6Hz，使用聚焦的脉冲激光束轰击预先烧制好的钐镓石榴石靶材，沉积缓冲层。通过激光脉冲的数量来控制缓冲层的生长厚度到2.5nm。沉积结束后原位退火30分钟。

4.在与前一步相同的条件下，切换靶材，用激光束轰击钇铁石榴石靶材，控制生长厚度到20nm。

5.在步骤4的基础上，切换靶材，其他条件不变，沉积100nm厚的钐镓石榴石薄膜，快速冷却到室温。从而生长出如图3所示的结构。

6.使用磁光克尔系统进行磁性测量。

磁性测量结果如图5所示，从图中可以看出，垂直于薄膜方向的磁滞回线饱和场小于平行于面的方向，因此说明已经成功制备出具有垂直各向异性的钇铁石榴石薄膜。

为了确定薄膜厚度，使用透射电镜观察截面信息，结果如图6所示。图中显示钇铁石榴石薄膜层厚度为20nm，与设计厚度相符。

可以预见，使用其他薄膜制备方法也可以达到相同的目的，例如磁控溅射真空镀膜方法，热蒸发，化学气相沉积等。另外，缓冲层材料的选择可以替代为其他合适晶格常数和与YIG结合力较强的材料。这些替换都不会改变本发明的根本精神。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。