CN101734863B - 一种“反钙钛矿”结构的三元锰氮化物Mn3CuN薄膜 - Google Patents

Abstract

一种“反钙钛矿”结构的三元锰氮化物Mn₃CuN薄膜，它是由Mn，Cu，N三种元素组成，其原子配比为3∶1∶1，晶体结构为反钙钛矿立方结构。本发明是利用直流磁控溅射法沉积Mn₃CuN薄膜，靶材采用锰靶，将若干铜片均匀地分布在锰靶表面；该方法步骤如下：(1)基片的准备：将石英玻璃基片先在丙酮中超声清洗30分钟，然后在去离子水中超声清洗30分钟，最后用无水乙醇超声清洗30分钟，得到备用的石英玻璃基片；(2)抽真空：打开溅射成膜腔，把装有基片的样品托装在样品架上，关闭溅射成膜腔，抽真空到1×10^-4Pa；(3)沉积薄膜：通过质量流量计在真空镀膜室中通入氩气和氮气，设定各项参数后，预溅射20～50分钟，然后开始在石英玻璃基片上沉积Mn₃CuN薄膜。工艺简单成本低。

Description

一种“反钙钛矿”结构的三元锰氮化物Mn3CuN薄膜

(一)技术领域：

本发明提供一种“反钙钛矿”结构的三元锰氮化物Mn₃CuN薄膜，它涉及利用直流磁控溅射方法沉积了Mn₃CuN薄膜，属于材料科学技术领域。

(二)背景技术：

“钙钛矿”结构的系列材料在过去的几十年里由于介电，压电、超导、巨磁阻等丰富的物理性质以及重要的应用价值得到广泛而深入的研究。而近几年报道的反钙钛矿结构的这类材料Mn₃XN(C){X为锌(Zn)、镓(Ga)、铜(Cu)、铝(Al)、铟(In)或锡(Sn)等}也发现了类似的、丰富奇特的物理性质，其同样显示了有趣的超导，巨磁阻，磁致伸缩，压磁效应，磁卡，磁容积效应，近零电阻系数等性质。因此反钙钛矿型锰氮化合物同样有着巨大潜在的应用价值，引起了科学界及工业界的广泛关注。

目前，此类材料的大部分研究是围绕块体的物理性质进行的，关于反钙钛矿结构薄膜的研究，目前只有二元化合物如：氮化锰(Mn₄N)、氮化铁(Fe₄N)和氮化钴(Co₄N)，而对于三元氮化物薄膜尚未见报道。反钙钛矿锰氮化合物很难通过软化学方法合成，尽管也有少量报道，但步骤繁琐，不利于工业化生产，而利用软化学方法制备此类材料的薄膜更加困难。因此非常有必要开展锰氮化合物薄膜的研究，本发明通过直流磁控溅射成功制备出Mn₃CuN薄膜。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种“反钙钛矿”结构的三元锰氮化物薄膜，它是通过直流磁控溅射的手段和途径来制备Mn₃CuN薄膜。

本发明一种“反钙钛矿”结构的三元锰氮化物Mn₃CuN薄膜，它是由Mn，Cu，N三种元素组成，其原子配比为3∶1∶1，晶体结构为反钙钛矿立方结构。

本发明一种“反钙钛矿”结构的三元锰氮化物Mn₃CuN薄膜的制备方法，是利用直流磁控溅射法沉积Mn₃CuN薄膜，靶材采用纯度为99.9％的锰靶，然后将纯度为99.9％大小相同的铜片均匀地分布在锰靶表面，通过改变铜片数量来调节薄膜中锰和铜的含量，使其配比为3∶1，该方法的具体步骤如下：

步骤1：基片的准备

将石英玻璃基片先在丙酮中超声清洗至少30分钟，然后在去离子水中超声清洗至少30分钟，最后用无水乙醇超声清洗至少30分钟，得到备用的经过清洗的石英玻璃基片，把该基片装在沉积设备即磁控溅射装置的样品托上；

步骤2：抽真空

打开磁控溅射装置的溅射成膜腔，把装有基片的样品托装在可旋转的样品架上，关闭溅射成膜腔，抽真空到1×10^-4Pa；

步骤3：沉积薄膜

通过质量流量计在磁控溅射装置的真空镀膜室中通入氩气(Ar)和氮气(N₂)，设定各项参数后，预溅射20～50分钟，然后开始在石英玻璃基片上沉积Mn₃CuN薄膜；所述设定各项参数具体如下：

溅射类型：直流溅射

靶-基距：4～8cm

气体流量：Ar∶N₂为50∶1～50∶25

沉积气压：0.1～1Pa

溅射功率：10～100W

步骤4：停机，半小时后取出样品。

其中，预溅射的目的是清除靶表面的杂质。

采用最佳工艺参数所获得的沉积薄膜的X射线衍射图谱，SEM形貌图，EDS谱和XPS全谱图，分别见图1，图2，图3和图4。

本发明具有如下优点：

首次沉积出“反钙钛矿”结构的三元锰氮化物Mn₃CuN薄膜，其在晶体学(200)方向上择优生长。该薄膜的制备不需要制作多块锰铜合金靶来调节薄膜中的锰铜含量，简单、方便、并节约了成本。

(四)附图说明：

图1本发明Mn₃CuN薄膜的X射线衍射图谱；

图2本发明Mn₃CuN薄膜的SEM形貌图；

图3本发明Mn₃CuN薄膜的EDS谱；

图4本发明Mn₃CuN薄膜的XPS全谱图。(C和O是由于样品表面污染造成)

(五)具体实施方式：

本发明一种“反钙钛矿”结构的三元锰氮化物Mn₃CuN薄膜，它是由Mn，Cu，N三种元素组成，其原子配比为3∶1∶1，晶体结构为反钙钛矿立方结构。

该薄膜制备方法的具体实施步骤如下：

步骤1：基片的准备

将购买的石英玻璃基片先在丙酮中超声清洗至少30min，然后在去离子水中超声清洗至少30min，最后用无水乙醇超声清洗至少30min，得到备用的石英玻璃基片。把该基片装在沉积设备即磁控溅射装置的样品托上；

步骤2：抽真空

打开磁控溅射装置的溅射成膜腔，把装有基片的样品托装在可旋转的样品架上，把表面分布着铜片的锰靶放置到直流溅射靶位，关闭溅射成膜腔，抽真空到1×10^-4Pa；

步骤3：沉积薄膜

通过质量流量计在多靶磁控溅射装置的真空镀膜室中通入氩气(Ar)和氮气(N₂)，设定各项参数后，预溅射20～50分钟，然后开始在石英玻璃基片上沉积Mn₃CuN薄膜；所述的具体参数如下：

溅射类型：直流溅射

靶-基距：5cm

气体流量：Ar∶N₂为50∶5

沉积气压：0.3Pa

溅射功率：50W

步骤4：停机，半小时后取出样品。

其中，预溅射的目的是清除靶表面的杂质。

进行多次试验，改变锰靶表面铜片的数量来调控Mn₃CuN薄膜中锰和铜的含量，使其配比为3∶1。

Claims (5)

1.一种“反钙钛矿”结构的三元锰氮化物Mn₃CuN薄膜，其特征在于：它是由Mn，Cu，N三种元素组成，其原子配比为3∶1∶1，晶体结构为反钙钛矿立方结构。

2.根据权利要求1所述的一种“反钙钛矿”结构的三元锰氮化物Mn₃CuN薄膜的制备方法，其特征在于：它是利用直流磁控溅射法沉积Mn₃CuN薄膜，靶材采用锰靶，然后将大小相同的铜片均匀地分布在锰靶表面，通过改变铜片数量来调节Mn₃CuN薄膜中锰和铜的含量，使其配比为3∶1；该方法的具体步骤如下：

步骤1：基片的准备

将石英玻璃基片先在丙酮中超声清洗至少30分钟，然后在去离子水中超声清洗至少30分钟，最后用无水乙醇超声清洗至少30分钟，得到备用的石英玻璃基片；把该基片装在沉积设备即磁控溅射装置的样品托上；

步骤2：抽真空

打开磁控溅射装置的溅射成膜腔，把装有基片的样品托装在可旋转的样品架上，关闭溅射成膜腔，抽真空到1×10^-4Pa；

步骤3：沉积薄膜

通过质量流量计在磁控溅射装置的真空镀膜室中通入氩气(Ar)和氮气(N₂)，设定各项参数后，预溅射20～50分钟，然后开始在石英玻璃基片上沉积Mn₃CuN薄膜；所述设定各项参数具体如下：

溅射类型：直流溅射

靶-基距：4～8cm

气体流量：Ar∶N₂为50∶1～50∶25

沉积气压：0.1～1Pa

溅射功率：10～100W

步骤4：停机，半小时后取出样品。

3.根据权利要求2所述的一种“反钙钛矿”结构的三元氮化物Mn₃CuN薄膜的制备方法，其特征在于：所述的锰靶，其纯度为99.9％。

4.根据权利要求2所述的一种“反钙钛矿”结构的三元氮化物Mn₃CuN薄膜的制备方法，其特征在于：所述的铜片，其纯度为99.9％。

5.根据权利要求2所述的一种“反钙钛矿”结构的三元氮化物Mn₃CuN薄膜的制备方法，其特征在于：所述的预溅射，其目的是清除靶表面的杂质。

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