一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/Bi复合薄膜的制作方法

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/半金属bi复合薄膜及其制备方法。

背景技术：

红外探测作为红外技术领域的一个重要应用分支，已经渗透到我们生活的多个方面，在扫描、检测、定位、预警等领域都有着极其广泛的应用。由于红外辐射(0.76～1000μm)处于人眼不见的光谱范围，必须借助于红外探测系统才能进行观察。现有技术通过上转换发光或猝灭已经实现了近红外光的探测，其主要应用在0.7～1.6微米的红外波段。而众所周知，3～5微米的中远红外波段才是重要的大气窗口，也是军用红外探测器的主要工作区域，该波段光电对大雾、烟尘等具有较强的穿透力，且在海平面上传输时受到的分子吸收和悬浮物散射的影响很小。在军事上，中远红外光电探测器主要用于光电对抗，采用中远红外波段的多束光电可以干扰红外热寻的导弹，摧毁在不同距离和高度的目标。近年来，针对中远红外波段光电探测材料的研究逐渐成为了热点，而目前大部分中远红外探测器材料需要在低温制冷的条件下才能实现高的红外探测率。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出一种在室温下就能实现中远红外光电探测的磁性铁氧体/半金属bi复合薄膜及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/bi复合薄膜，其特征在于，包括衬底，以及依次形成于衬底之上的磁性铁氧体薄膜层和bi薄膜层。

进一步地，所述衬底为硅、玻璃或石榴石单晶基片等。

进一步地，所述磁性铁氧体薄膜层为镍锌铁氧体等尖晶石铁氧体，钇铁石榴石、稀土掺杂的钇铁石榴石等石榴石铁氧体，或者钡铁氧体等磁铅石铁氧体薄膜。

进一步地，所述磁性铁氧体薄膜层的厚度为100nm～50μm；所述bi薄膜层的厚度为1nm～500nm。

进一步地，所述磁性铁氧体薄膜层采用液相外延法，或者光电脉冲沉积法、磁控溅射法等真空气相沉积法制备得到，所述bi薄膜层采用分子束外延、磁控溅射法等真空气相沉积法制备得到。

一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/bi复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用液相外延法，或者光电脉冲沉积法、磁控溅射法等真空气相沉积法在衬底上形成厚度为100nm～50μm的磁性铁氧体薄膜层；

步骤2、采用分子束外延、磁控溅射法等真空气相沉积法在步骤1得到的磁性铁氧体薄膜层上形成厚度为1nm～500nm的bi薄膜层，即可得到所述复合薄膜。

一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/bi复合薄膜的制备方法，以ggg(钆镓石榴石)单晶基片作为衬底、钇铁石榴石(yig)作为磁性铁氧体薄膜，具体包括以下步骤：

步骤1、以fe2o3和y2o3作为原料，bi2o3作为熔剂，制备熔体；然后采用液相外延的方法在ggg单晶基片上生长钇铁石榴石薄膜层，生长温度为900～980℃，时间为5～10min；

步骤2、采用分子束外延方法在步骤1得到的磁性铁氧体薄膜层上形成bi薄膜层，具体过程为：首先，将bi(铋)源升温至400～600℃，步骤1得到的带钇铁石榴石薄膜的基片升温至200～500℃并保温1h；然后在基片温度自然降至25～300℃时，打开铋源，开始进行分子束外延生长，直至得到厚度为1nm～500nm的bi薄膜层，完成所述磁性铁氧体/bi复合薄膜的制备。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/bi复合薄膜，该复合薄膜中，bi(铋)半金属薄膜厚度的改变会导致复合薄膜红外光反射强度在中远红外波段(波长为3.2-13μm)呈现规律性变化，即bi(铋)半金属薄膜厚度增加，复合薄膜的红外光反射强度减弱，光学吸收增强，光电效应增加，使得其在中远红外光电探测、光信息存储等多学科领域具有广泛的应用前景。

2、本发明提供的一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/bi复合薄膜，该复合薄膜在室温下就能实现对中远红外的光电探测，可广泛应用于红外光的探测、校对和识别。

3、本发明提供的一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/bi复合薄膜，制备方法简单易行，成本低，有利于实现大规模工业化生产。

附图说明

图1为实施例1和实施例2得到的ggg/yig/bi复合薄膜在中远红外波段(3.2～13μm)的红外光反射图谱。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/bi复合薄膜，包括衬底，以及依次形成于衬底之上的磁性铁氧体薄膜层和bi薄膜层；所述磁性铁氧体薄膜层为nizn铁氧体等尖晶石铁氧体，钇铁石榴石、稀土掺杂的钇铁石榴石等石榴石铁氧体，或者钡铁氧体等磁铅石铁氧体薄膜；所述衬底为硅、玻璃或石榴石单晶基片等；所述磁性铁氧体薄膜层的厚度为100nm～50μm，bi薄膜层的厚度为1nm～500nm；所述磁性铁氧体薄膜层采用液相外延法，或者光电脉冲沉积法、磁控溅射法等真空气相沉积法制备得到，所述bi薄膜层采用分子束外延、磁控溅射法等真空气相沉积法制备得到。

一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/bi复合薄膜，包括ggg(钆镓石榴石)单晶基片，以及依次形成于ggg单晶基片之上的钇铁石榴石(yig)薄膜和bi(铋)半金属薄膜。

其中，所述yig(钇铁石榴石)薄膜为单晶薄膜，厚度为100nm～50μm；采用液相外延法，或者光电脉冲沉积法、磁控溅射法等真空气相沉积法制备得到。

其中，所述bi(铋)半金属薄膜厚度为1nm～500nm，采用分子束外延、磁控溅射法等真空气相沉积法制备得到。

其中，所述yig/bi(铋)半金属薄膜的最大直径为4英寸。

本发明还提供了上述磁性铁氧体/bi复合薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、以fe2o3和y2o3作为原料，bi2o3作为熔剂，制备熔体；然后采用液相外延的方法在ggg单晶基片上生长钇铁石榴石薄膜层，生长温度为900～980℃，时间为5～10min；

步骤2、采用分子束外延方法在步骤1得到的磁性铁氧体薄膜层上形成bi薄膜层，具体过程为：首先，将bi(铋)源升温至400～600℃，步骤1得到的带钇铁石榴石薄膜的基片升温至200～500℃并保温1h；然后在基片温度自然降至25～300℃时，打开铋源，开始进行分子束外延生长，直至得到厚度为1nm～500nm的bi薄膜层，完成所述yig/bi复合薄膜的制备。

更具体地，一种钇铁石榴石薄膜/bi复合薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、选取ggg(钆镓石榴石)基片作为衬底，清洗基片：将钆镓石榴石基片在70～80℃的三氯乙烯中浸泡3～10min，然后在70～80℃的去离子水中浸泡3～10min；将上步处理后的基片在70～80℃的重铬酸钾、浓硫酸和水的混合液中浸洗10～15次，每次浸洗时间为1～2s，其中，所述混合液中重铬酸钾的质量浓度为18～20g/l，浓硫酸的摩尔浓度为10～15mol/l，然后在70～80℃的去离子水中浸泡2～8min，取出后在另一70～80℃的去离子水中浸泡3～10min；将质量比为1:1:1的磷酸钠、碳酸钠和氢氧化钾配制成溶质质量浓度为10～15g/l的混合碱液，将上步处理后的基片在70～80℃的配制的碱液中浸泡3～10min，然后在70～80℃的去离子水中浸泡3～10min；将上步处理后的基片放入室温下的体积百分含量为20～30％的氨水溶液中浸泡清洗3～10min，然后在室温去离子水中浸泡3～10min；将上步处理后的基片在异丙醇蒸汽冷凝回流条件下清洗3～10min；

步骤2、钇铁石榴石薄膜的制备：以纯度不低于99.999wt％的fe2o3和y2o3作为原料，bi2o3作为熔剂，按照钇铁石榴石的分子式y3fe5o12称取原料，混料，在1000～1100℃下熔融，得到熔体；然后，将步骤1清洗干净的基片放入熔体中，采用液相外延法生长钇铁石榴石单晶薄膜，生长温度为900～980℃，基片转速为50～80转/分，时间为5～10min，生长完成后，清洗，得到钇铁石榴石薄膜；

步骤3、采用分子束外延方法在步骤2得到的磁性铁氧体薄膜层上形成bi薄膜层，具体过程为：首先，将bi(铋)源升温至400～600℃，步骤1得到的带钇铁石榴石薄膜的基片升温至200～500℃并保温1h；然后在基片温度自然降至25～300℃时，打开铋源，开始进行分子束外延生长，直至得到厚度为1nm～500nm的bi薄膜层，完成所述yig/bi复合薄膜的制备。

进一步地，步骤2所述钇铁石榴石薄膜还可以采用光电脉冲方法制备得到，以y3fe5o12靶作为靶材，脉冲频率为10～50hz，氧分压为0.1～0.5pa，基片温度为500～750℃。

进一步地，步骤2所述钇铁石榴石薄膜还可以采用磁控溅射法制备得到，以y3fe5o12靶作为靶材，溅射功率为30～70w，基片温度为550～800℃。

进一步地，步骤3所述bi薄膜还可以采用磁控溅射法制备得到，以纯度不低于99.999wt％的bi(铋)作为靶材，溅射功率为3～5w，真空度为1.8×10^-4torr～5×10^-4torr，溅射气体为氮气，氮气的流量为10～1515sccm。

本发明还提供了上述磁性铁氧体/bi复合薄膜在光电探测、信息存储等领域的应用。

实施例1

一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/bi复合薄膜，包括ggg(钆镓石榴石)单晶基片，以及依次形成于ggg单晶基片之上的钇铁石榴石(yig)薄膜和bi(铋)半金属薄膜。

上述钇铁石榴石薄膜/bi复合薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、选取ggg(钆镓石榴石)基片作为衬底，清洗基片：将钆镓石榴石基片在70℃的三氯乙烯中浸泡3min，然后在70℃的去离子水中浸泡3min；将上步处理后的基片在70℃的重铬酸钾、浓硫酸和水的混合液中浸洗10次，每次浸洗时间为2s，其中，所述混合液中重铬酸钾的质量浓度为20g/l，浓硫酸的摩尔浓度为10mol/l，然后在70℃的去离子水中浸泡8min，取出后在另一70℃的去离子水中浸泡3min；将质量比为1:1:1的磷酸钠、碳酸钠和氢氧化钾配制成溶质质量浓度为10g/l的混合碱液，将上步处理后的基片在80℃的配制的碱液中浸泡3min，然后在70℃的去离子水中浸泡3min；将上步处理后的基片放入室温下的体积百分含量为20％的氨水溶液中浸泡清洗3min，然后在室温去离子水中浸泡3min；将上步处理后的基片在异丙醇蒸汽冷凝回流条件下清洗3min；

步骤2、钇铁石榴石薄膜的制备：以纯度不低于99.999wt％的fe2o3和y2o3作为原料，bi2o3作为熔剂，按照钇铁石榴石的分子式y3fe5o12称取原料，混料，在1050℃下熔融，得到熔体；然后，将步骤1清洗干净的基片放入熔体中，采用液相外延法生长钇铁石榴石单晶薄膜，生长温度为900℃，基片转速为50转/分，时间为5min，生长完成后，清洗，得到厚度为100nm的钇铁石榴石薄膜；

步骤3、采用分子束外延方法在步骤2得到的钇铁石榴石薄膜上形成bi薄膜层，具体过程为：首先，将bi(铋)源升温至500℃，步骤1得到的带钇铁石榴石薄膜的基片升温至500℃并保温1h；然后在基片温度自然降至200℃时，打开铋源，开始进行分子束外延生长，直至得到厚度为10nm的bi薄膜层，完成所述yig/bi复合薄膜的制备。

实施例2

调整步骤3分子束外延的生长时间，得到厚度分别为20nm、30nm、40nm、50nm的bi薄膜。其余步骤与实施例1相同。

实施例3

调整步骤2液相外延的生长时间，得到厚度分别为800nm、1μm、20μm、50μm的钇铁石榴石薄膜。其余步骤与实施例1相同。

实施例4

一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/bi复合薄膜，采用al2o3单晶基片作为基底，磁铅石钡铁氧体薄膜作为磁性薄膜，得到al2o3单晶基片/磁铅石钡铁氧体薄膜/bi复合薄膜。

实施例5

一种应用于中远红外光电探测的磁性铁氧体/bi复合薄膜，采用镁铝尖晶石单晶基片作为基底，nizn铁氧体薄膜作为磁性薄膜，得到镁铝尖晶石单晶基片/nizn铁氧体薄膜/bi复合薄膜。

图1为实施例1和实施例2得到的不同厚度bi薄膜形成的ggg/yig/bi复合薄膜在中远红外波段(3.2～13μm)的红外光反射图谱；表明bi(铋)半金属薄膜厚度的改变会导致复合薄膜红外光反射强度在中远红外波段(波长为3.2-13μm)呈现规律性变化，即bi(铋)半金属薄膜厚度增加，复合薄膜的红外光反射强度减弱，光学吸收增强，光电效应增加，使得其在中远红外光电探测、光信息存储等多学科领域具有广泛的应用前景。同时，吸收频率对应半金属铋薄膜的带隙宽度，分别为0.36ev(3.42μm)，0.35ev(3.5μm)，0.20ev(6.05μm)和0.18ev(6.85μm)。相比于目前大部分中远红外探测器材料需要在低温制冷的条件下才能实现高的红外探测率，本发明磁性铁氧体/bi复合薄膜在室温下就能实现对中远红外的光电探测，可广泛应用于红外光的探测、校对和识别。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。