CN105483615B - 具有闪锌矿结构的磁性氮化铝薄膜材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有闪锌矿结构的磁性氮化铝薄膜材料及制备方法与应用。该Sc掺杂的氮化铝中，所述Sc掺杂的氮化铝的晶体结构为闪锌矿结构，且所述Sc元素占据晶格中部分Al元素的位置。Sc与Al的摩尔比为76：24；所述(Al+Sc)元素与氮元素的摩尔比为1：1。本发明制备的是一种具有闪锌矿的稀磁自旋半导体材料，这种闪锌矿结构的材料居里温度高、室温稳定性好，自旋注入效率高，已报导的稀磁半导体GaN的晶体结构属于六角晶系，磁性弱且接近超顺磁特性，因此，本发明具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于新材料领域，涉及一种具有闪锌矿结构的磁性氮化铝薄膜材料及制备方法与应用。
背景技术
当前稀磁半导体是电子信息、新材料领域的研究热点，大家都在寻找高居里温度、室温稳定性好，自旋注入效率高的稀磁半导体。然而，已发现的稀磁半导体中，GaAs体系为闪锌矿结构，属立方晶系，自旋注入效率高，但磁性弱、居里温度低；以氧化锌为代表的氧化物，虽然有室温铁磁性，但磁性行为接近超顺磁特性，还无法进行有效的自旋注入，其重要原因在于ZnO等材料晶体结构的对称性都比闪锌矿结构差。已报导的稀磁半导体GaN的晶体结构也属于六角晶系，磁性弱且接近超顺磁特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有闪锌矿结构的磁性氮化铝薄膜材料及制备方法与应用。
本发明提供的Sc掺杂的氮化铝，其中，所述Sc掺杂的氮化铝的晶体结构为闪锌矿结构，且所述Sc元素占据晶格中部分Al元素的位置。
上述Sc掺杂的氮化铝中，所述Sc元素与Al元素的摩尔比为76：24；
所述Al元素与Sc元素的总摩尔量与N元素的摩尔量的比例为1：1。
该Sc掺杂的氮化铝的晶体结构为闪锌矿结构，为Al的面心立方格子与N的面心立方格子套构而成，其中N的子格子沿Al子格子的对角线移动1/4对角线长度的距离，Sc掺杂进入AlN晶格，其阳离子替代晶格中Al的位置。
所述Sc掺杂的氮化铝薄膜材料的厚度为20nm；
所述Sc掺杂的氮化铝薄膜材料的居里温度为124℃。
上述Sc掺杂的氮化铝也可为按照如下方法制备而得的产品。
本发明提供的制备所述Sc掺杂的氮化铝的方法，其中，方法一包括如下步骤：
将Al粉和Sc粉按照前述配比制得靶材后，以衬底的(111)面为外延面，在衬底上进行沉积，沉积完毕后自然冷却得到所述Sc掺杂的氮化铝薄膜材料。
方法二包括如下步骤：
将AlN和ScN粉末按照前述配比制得靶材后，以衬底的(111)面为外延面，在衬底上进行沉积，沉积完毕后自然冷却得到所述Sc掺杂的氮化铝薄膜材料。
构成所述衬底的材料为MgO、NaCl、CrN或TiN。
所述方法一中，沉积的方法为磁控溅射法，具体为射频磁控溅射法；沉积的气氛为由氮气和氩气组成的混合气氛，氮气和氩气的分压比为1：3；真空度为0.3-100Pa，具体为3Pa；沉积温度为600-800℃；
所述方法二中，沉积的方法为脉冲激光沉积法；沉积的气氛为氮气气氛；真空度为18-30Pa，具体为30Pa、25Pa或18Pa；沉积温度为670-780℃，具体为670℃、750℃或780℃。
上述本发明提供的Sc掺杂的氮化铝在制备自旋器件中的应用及含有所述Sc掺杂的氮化铝的磁性材料，也属于本发明的保护范围。
本发明制备的是一种具有闪锌矿的稀磁自旋半导体材料，这种闪锌矿结构的材料居里温度高、室温稳定性好，自旋注入效率高，已报导的稀磁半导体GaN的晶体结构属于六角晶系，磁性弱且接近超顺磁特性，因此，本发明具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例1、
将Al粉和Sc粉以摩尔比为76：24的比例混合，烧结成靶材后，选用NaCl作为衬底，在真空度为3Pa的氮气和氩气(分压比为1:3)混合气氛中，以NaCl的(111)面为外延面，采用射频磁控溅射的沉积方法，在衬底上进行沉积，沉积温度为600℃，沉积完毕后自然冷却，在NaCl衬底上得到厚度为20nm的Sc掺杂的氮化铝薄膜。
该Sc掺杂的氮化铝薄膜的晶体结构为闪锌矿结构，为Al的面心立方格子与N的面心立方格子套构而成，其中N的子格子沿Al子格子的对角线移动1/4对角线长度的距离，Sc掺杂进入AlN晶格，其阳离子替代晶格中Al的位置。
用SQUID和VSM仪器测得该薄膜的居里温度为124℃。
实施例2、
将AlN和ScN粉末以Al：Sc摩尔比为76：24的比例混合，烧结成靶材后，以MgO衬底，沉积方法为脉冲激光沉积，沉积时的真空度为30Pa，沉积气氛为纯氮气气氛，以MgO的(111)面为外延面，沉积温度为750℃，所得Sc掺杂的氮化铝薄膜的厚度为20nm。
该Sc掺杂的氮化铝薄膜的晶体结构为闪锌矿结构，为Al的面心立方格子与N的面心立方格子套构而成，其中N的子格子沿Al子格子的对角线移动1/4对角线长度的距离，Sc掺杂进入AlN晶格，其阳离子替代晶格中Al的位置。
用SQUID和VSM仪器测得该薄膜的居里温度为124℃。
实施例3、
按照实施例2的步骤，仅将构成衬底的材料替换为CrN，沉积时的真空度替换为25Pa，沉积温度替换为780℃，所得Sc掺杂的氮化铝薄膜的厚度为20nm。
该Sc掺杂的氮化铝薄膜的晶体结构为闪锌矿结构，为Al的面心立方格子与N的面心立方格子套构而成，其中N的子格子沿Al子格子的对角线移动1/4对角线长度的距离，Sc掺杂进入AlN晶格，其阳离子替代晶格中Al的位置。
用SQUID和VSM仪器测得该薄膜的居里温度为124℃。
实施例4、
按照实施例2的步骤，仅将构成衬底的材料替换为TiN，沉积时的真空度替换为18Pa，沉积温度替换为670℃，所得Sc掺杂的氮化铝薄膜的厚度为20nm。
该Sc掺杂的氮化铝薄膜的晶体结构为闪锌矿结构，为Al的面心立方格子与N的面心立方格子套构而成，其中N的子格子沿Al子格子的对角线移动1/4对角线长度的距离，Sc掺杂进入AlN晶格，其阳离子替代晶格中Al的位置。
用SQUID和VSM仪器测得该薄膜的居里温度为124℃。
Claims (10)
1.一种Sc掺杂的氮化铝薄膜材料，其特征在于：所述Sc掺杂的氮化铝的晶体结构为闪锌矿结构，且所述Sc元素占据晶格中部分Al元素的位置；
所述Al元素与Sc元素的摩尔比为76：24；
所述Al元素与Sc元素的总摩尔量与N元素的摩尔量的比例为1：1；
所述Sc掺杂的氮化铝薄膜材料的居里温度为124℃。
2.根据权利要求1所述的氮化铝薄膜材料，其特征在于：所述Sc掺杂的氮化铝薄膜材料的厚度为20nm。
3.一种制备权利要求1-2任一所述Sc掺杂的氮化铝薄膜材料的方法，为方法一或方法二：
其中，方法一包括如下步骤：
将Al粉和Sc粉按照权利要求2所述配比制得靶材后，以衬底的(111)面为外延面，在衬底上进行沉积，沉积完毕后自然冷却得到所述Sc掺杂的氮化铝薄膜材料；
方法二包括如下步骤：
将AlN和ScN粉末按照权利要求2所述配比制得靶材后，以衬底的(111)面为外延面，在衬底上进行沉积，沉积完毕后自然冷却得到所述Sc掺杂的氮化铝薄膜材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：构成所述衬底的材料为MgO、NaCl、CrN或TiN。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述方法一中，沉积的方法为磁控溅射法；沉积的气氛为由氮气和氩气组成的混合气氛，氮气和氩气的分压比为1：3；真空度为0.3-100Pa；沉积温度为600-800℃。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述方法一中，真空度为3Pa。
7.根据权利要求3-6中任一所述的方法，其特征在于：所述方法二中，沉积的方法为脉冲激光沉积法；沉积的气氛为氮气气氛；真空度为18-30Pa；沉积温度为670-780℃。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法二中，沉积的方法为脉冲激光沉积法；沉积的气氛为氮气气氛；真空度为25Pa；沉积温度为750℃。
9.权利要求1-2任一所述Sc掺杂的氮化铝薄膜材料在制备自旋器件中的应用。
10.含有权利要求1-2任一所述Sc掺杂的氮化铝薄膜材料的磁性材料。
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