CN106048726B - 一种钇铁石榴石薄膜的外延生长方法 - Google Patents

一种钇铁石榴石薄膜的外延生长方法 Download PDF

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Abstract

钇铁石榴石薄膜的外延生长方法,将装有处理好的钆镓石榴石基片的置真空腔室,并将钆镓石榴石基片加热到恒定温度736℃;加热过程中,加热到250℃的时候通入臭氧;加热至736℃之后,保持真空腔气压,将臭氧的质量分数调节至40%,同时保温半小时,打开反射式高能电子衍射仪RHEED调节出衬底的衍射斑点;全程保持RHEED的实时和原位监控,采用波长248nm的KrF准分子激光器将激光通过透镜聚焦到YIG靶材上;完成薄膜生长后,基片温度保持不变,原位退火约15min,然后将薄膜自然冷却至约250℃,停止保护气体再冷却至室温。本发明所得到的YIG薄膜组分均匀、厚度可控工艺重复性好,具有较高的制备效率。

Description

一种钇铁石榴石薄膜的外延生长方法
技术领域
本发明属于电子材料技术领域,特别涉及钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜材料、激光分子束外延的薄膜生长方法及其磁学和自旋方面的性质的应用。也属于自旋磁光器件应用领域。
背景技术
近年来,随着电子科技的不断发展,人们对于电子产品的要求也越来越高。而如今摩尔定律已经进入了一个瓶颈,晶体管的尺寸已经濒临极限,人们急切需要发展新材料,或者开创新的电子运算、存储模式等等,这样才能满足人们日益增加的需求。而YIG由于具有室温铁磁性、矫顽力小、自旋泵浦阻尼因子小和良好的绝缘性等众多优点,逐渐进入了人们的视野。绝缘性以及室温铁磁性可以使得它和新型材料形成异质结构的时候,更加无碍地表征新型材料的性质。而矫顽力小、自旋泵浦阻尼因子小则又使得它成为一种优秀的自旋注入源,对于将来新型自旋器件的发展有着不可估量的市场价值。另外由于YIG材料本身的成本不高,所以更加利于该材料的批量型生产。而如今YIG薄膜的应用逐渐延伸到磁光传输、磁泡存储、激光陀螺、光纤通信、磁光传感器等尖端领域,使磁光材料与器件的发展进入新阶段。
YIG薄膜的制备已经有几十年的历史。薄膜制备工艺的选择;基片种类的选择;制备工艺及后期处理的过程中各种参数对薄膜性能的影响;是否制备缓冲层成为能否长出高质量YIG薄膜的关键。最早的YIG薄膜首先由美国的 Perkin-Elmer Corporation公司制得,他们在1965年用助溶剂法和气相沉积法在石榴石基片上沉积了厚的薄膜。在此之后,随着真空镀膜技术的飞速发展,采用物理气相淀积法制备YIG薄膜越来越得到人们的青睐。IBMThomas J.Watson 研究中心的Cuomo等人在1972年首次采用射频磁控溅射法在钆镓石榴石(111) 基片上制备出没有裂纹的可移动磁畴的Gd:Ga:YIG薄膜。接着日本的众多研究人员对采用溅射法制备稀土取代型YIG薄膜(如常用的Bi、Ce)进行了重要的研究,Tanida等利用溅射法在钆镓石榴石基片上低温沉积了Bi-YIG薄膜,发现Bi 元素取代Y元素可以显著的提高材料的法拉第旋转角度,Okuda研究了Bi3Fe5O12 的薄膜的制备方法以及薄膜的磁性能。1991年,Gomi用溅射法在钆镓石榴石基片上成功制备了Ce-YIG,并发现Ce3+离子可以显著提高薄膜的磁光特性。而后也有了液相外延法、脉冲激光沉积等方法生长YIG薄膜。但是以上提供的方法没有办法全程保证高质量精控YIG薄膜的生长,也不能精确控制 YIG薄膜的生长厚度。这是因为YIG薄膜的生长条件异常苛刻,生长出完全单晶的能够精确控制厚度的YIG薄膜是非常困难的,而本发明中就介绍了一种运用激光分子束外延的方法生长出精控外延的高质量YIG薄膜的方法,并提供了对其相关特性的数据。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种在钆镓石榴石(110取向)衬底上精确外延高质量YIG薄膜材料、激光分子束外延的制备方法及薄膜相关性质的表征。该薄膜是高质量的单晶薄膜,具有良好的绝缘特性,也具有室温铁磁性,透明,颜色微黄。另外也兼顾了矫顽力小、自旋泵浦阻尼因子小、铁磁共振线宽窄的特点。
本发明的技术方案是:钇铁石榴石薄膜的外延生长方法,
步骤1:将装有处理好的钆镓石榴石基片的真空腔室抽到8.6±1×10-6Pa,并将钆镓石榴石基片加热到恒定温度736±5℃,在加热过程当中,加热到250 ±10℃的时候通入1.4 × 10-3mbar 的臭氧、臭氧质量分数占20±2%和氧气、质量分数占80±6%的混合气体作为保护气体以避免加热过程中衬底缺氧;
步骤2:加热至736±5℃之后,保持真空腔气压在1.4±0.2×10-3mbar,将臭氧的质量分数调节至40±2%,同时保温半小时,此时打开反射式高能电子衍射仪RHEED调节出衬底的衍射斑点;
步骤3:保持2中的生长条件,并全程保持RHEED的实时和原位监控,采用波长248nm的KrF准分子激光器将激光通过透镜聚焦到YIG靶材上,靶材与激光束的夹角约为45°,激光束的平均能量密度为1.5±0.5J/cm2,激光重复频率为2Hz,沉积时间根据选择厚度而决定;
步骤4:完成薄膜生长后,基片温度保持不变,原位退火约15min,然后将薄膜自然冷却至约250±10℃,停止保护气体的供给,再冷却至室温。
所述石榴石薄膜材料,由Y、Fe、O以化学元素形成的化合物,其中Y与 Fe都是以+3价的方式存在的;所述的薄膜材料是单晶的。
本发明是一种石榴石薄膜材料,分子式为Y3Fe5O12。是运用激光分子束外延生长获得的高质量的薄膜。其成分与其靶材保持高度一致,所制备的薄膜是单晶的,厚度范围为1~80nm,表面的平均粗糙度小于0.4nm。
上述激光分子束外延方法制备参数易调整,生长过程可控,且工艺重复性好,具有较高的制备效率,并且可拓展到制备其它高质量的氧化物薄膜。
本发明的有益效果:提供了一种制备高质量精控外延生长YIG薄膜的方法。该薄膜是单晶薄膜,具有绝缘性、室温铁磁性、透明、颜色微黄、矫顽力小、自旋泵浦阻尼因子小和铁磁共振线宽窄等特点。而激光分子束外延是目前较为领先的薄膜材料的制备技术,本发明采用激光分子束外延技术能为YIG薄膜单晶化以及可控性上提供了一种理想的手段,从而有利于进一步研发相关异质结构以及新型的自旋器件,同时也有利于磁光器件的发展。
本发明所得到的上述薄膜,是高质量的单晶薄膜,颜色为微黄透明。经过振动样品磁强计的测量可以得到该样品的饱和磁极化强度约为120emu/cm3,矫顽力范围约为4~10Oe,并可以得到较大的面内各向异性。所述薄膜是Y、Fe、O 元素以3:5:12化学计量比形成的化合物,它是一种良好的绝缘体,阻尼因子非常小,达到1.0×10-5量级,同时在室温下具有铁磁性和较窄的铁磁共振线宽。 YIG薄膜材料的晶格与其衬底钆镓石榴石的晶格失配度非常小(约为0.025%)。薄膜的制备方法是激光分子束外延(L-MBE)技术,在约8.6×10-6Pa的本底真空下,通过加入掺有臭氧的氧气作为保护气体,在恒定温度的衬底上进行高质量的层状二维模式生长,生长过程全程通过反射式高能电子衍射仪(RHEED)进行实时和原位监控。薄膜制备全程都具有RHEED振荡,保证薄膜自始至终高质量生长。所获得的薄膜厚度精确可控,平均粗糙度小于0.4nm,具有良好的室温铁磁性和绝缘性,且矫顽力非常小,通过外加磁场以及微波能产生明显的铁磁共振及自旋泵浦信号。特别地,该材料的铁磁共振线宽以及自旋泵浦的阻尼因子都非常小。本发明所得到的YIG薄膜组分均匀、厚度可控;材料制备参数易调整,生长过程可控,工艺重复性好,具有较高的制备效率。它在自旋电子学领域的独特优势将为新型自旋器件的应用打下基础。
附图说明
图1为激光分子束外延仪器结构示意图。
图2为生长之前衬底基片的RHEED光斑。
图3为所得钇铁石榴石(YIG)薄膜在生长过程的全程RHEED振荡曲线。
图4为所得钇铁石榴石(YIG)薄膜的室温磁滞回线。
图5为所得钇铁石榴石(YIG)薄膜的铁磁共振图谱线。
图6为所得钇铁石榴石(YIG)薄膜的原子力显微镜扫描结果(a)和表面粗糙图(b)。
具体实施方式
下面结合附图通过实例对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并非局限于所举之例。
附图标记说明:1-靶材,2-样品架,3-加热丝,4-激光光路,5-观察窗,6- 泵组抽气口,7-RHEED监测设施,8-荧光屏及摄像头,9-保护气体通气口,10- 臭氧发生器,11、12-小型分子泵。
步骤1:将装有处理好的钆镓石榴石基片的真空腔室抽到8.6±1×10-6Pa,并将钆镓石榴石基片加热到恒定温度约736℃,在加热过程当中,加热到约250℃的时候通入1.4× 10-3mbar 的臭氧(质量分数占20%)和氧气(质量分数占80%)的混合气体作为保护气体以避免加热过程中衬底缺氧。
本步骤中通过抽气口6先用机械泵将气压抽至8Pa,再打开分子泵续抽至8.6 ×10- 6Pa。基片通过加热丝3进行加热,加热速率是缓慢加热,约2℃/min。当温度升高至250℃,开始从保护气入口9通入高纯氧气并打开臭氧发生器10,将臭氧的质量分数调节至20%。之后将真空腔内气压保持在1.4 × 10-3mbar 。
步骤2:加热至736℃之后,保持真空腔气压在1.4 × 10-3mbar ,将臭氧的质量分数调节至40%,同时保温半小时,此时打开反射式高能电子衍射仪 7(RHEED)调节出衬底的衍射斑点。(由荧光屏以及摄像头8采集数据)
本步骤中保温半小时是为了让基片表面更加洁净平整,加高臭氧的质量分数是为了弥补几片表面由于高温可能产生氧空位。保温之后的RHEED衍射图样如图1给出:一共有5个衍射斑点,并呈圆弧状分布,证明基片表面晶格结构的完整性以及二维特性。
步骤3:保持步骤4、5中的生长条件,并全程保持RHEED的实时和原位监控,采用波长248nm的KrF准分子激光器将激光通过透镜聚(激光光路5)焦到YIG靶材上,靶材与激光束的夹角约为45°,激光束的平均能量密度约为1.5J/cm2,激光重复频率为2Hz,沉积时间根据选择厚度而决定;
本步骤中的RHEED振荡见图2。其中每一个振荡周期就代表YIG薄膜的一个分子层。生长过程中靶材1以均匀速率进行转动,旨在激光可以均匀的打在靶材上面,既增加了薄膜生长的稳定性,也延长了靶材使用的寿命。
步骤4:所得步骤4中的薄膜后,将样品基片温度原位退火约15min,然后将薄膜自然冷却至约250℃,停止保护气体的供给,再冷却至室温。
本步骤中原位退火是保持气压及组分不变,旨在使得生长完成的薄膜更加平整。冷却至250℃之后停气使得薄膜表面不产生更多的氧空位。
取出样品之后,再在纯氧中经过650℃的6h的退火之后,得到质量更高的钇铁石榴石(YIG)薄膜。退火升降温没有特殊要求,退火过程全程通入纯氧并保持流量在2ml/s旨在填补YIG薄膜表面的氧空位,提高薄膜的质量。在经过振动样品磁强计,铁磁共振,原子力显微镜的表征,分别得到图4,图5,图6的数据。其中样品饱和磁极化强度约为120emu/cm3,矫顽力范围约为4~10Oe,并表现出面内各向异性;铁磁共振图谱线宽较小;表面平整,平均粗糙度小于0.4nm。以上所得的YIG薄膜的生长以及结构和性能分析主要使用了如下仪器:
激光分子束外延,苏州新瑞博公司生产,原位的反射式高能电子衍射仪,德国Staib公司;振动样品磁强计,美国ADE公司生产的Models EV5VVSM型;铁磁共振图谱由南京大学分析中心给出数据。

Claims (1)

1.钇铁石榴石薄膜的外延生长方法,其特征是步骤如下:步骤1:将装有处理好的钆镓石榴石基片的真空腔室抽到8.6±1×10-6Pa,并将钆镓石榴石基片加热到恒定温度736±5℃;加热过程中,加热到250±10℃的时候通入1.4×10-3 mbar的臭氧、臭氧质量分数占20%和氧气质量分数占80%的混合气体作为保护气体以避免加热过程中衬底缺氧;步骤2:加热至736±5℃之后,保持真空腔气压在1.4±0.2×10-3mbar,将臭氧的质量分数调节至40±2%,同时保温半小时,此时打开反射式高能电子衍射仪RHEED调节出衬底的衍射斑点;步骤3:保持步骤2中的生长条件,并全程保持RHEED的实时和原位监控,采用波长248nm 的KrF准分子激光器将激光通过透镜聚焦到钆镓石榴石靶材上,钆镓石榴石靶材与激光束的夹角为45°,激光束的平均能量密度为1.5±0.5J/cm2,激光重复频率为2Hz,沉积时间根据选择厚度而决定;步骤4:完成薄膜生长后,基片温度保持不变,原位退火15min,然后将薄膜自然冷却至250±10℃,停止保护气体的供给,再冷却至室温;取出样品之后,再在纯氧中经过650±15℃的6±1h的退火;所述石榴石薄膜材料,由Y、Fe、O以化学元素形成的化合物,其中Y与Fe都是以+3价的方式存在的;所述的薄膜材料是单晶的。
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