CN108022750B - 一种多铁性异质结薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种多铁性异质结薄膜的制备方法，其特征在于具体步骤为：1）薄膜制备在结构稳定的铁电薄膜衬底上通过脉冲激光沉积、磁控溅射、或分子束外延等方法复合铁磁性薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；所述的铁电薄膜衬底为PMN‑PT、BFO、PZT、BTO、PTO、PZN‑PT中的一种；所述的铁磁性薄膜为Fe、Co、Ni、CoFe、CoFeB、FeNi、FeSi、FeSiAl、FeAl中的一种；2）界面调控将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入含氮气体，在150~600℃温度下渗氮处理0.5~48h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；所述的结构稳定的铁电薄膜在热处理过程中结构不受影响，而所述的铁磁性薄膜中会渗入氮原子，生成间隙固溶体或新相，导致晶格膨胀，在界面处产生应力；所述的含氮气体为氮气、氨气、氮气和氢气、氨气和氢气中的一种。

Description

一种多铁性异质结薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种多铁性异质结薄膜的制备方法，属于材料制备领域。

背景技术

随着信息产业的快速发展人们对信息存储技术的要求也越来越高，因而大量的研究开始关注体积小、密度高、速度快、能耗低和寿命长的信息存储器件。但半导体晶体管的尺寸即将到达传统的半导体制备工艺技术的理论预计的物理极限，难以大幅度提高信息存储器件的性能。因此，如果想要进一步在信息储存领域取得突破性进展，就必须寻找到新的材料或新的理论方法。

在当前的信息储存技术中，磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)是利用磁场来控制其磁化方向写入信息，再利用磁电阻进行信息的读取。其读出速度很快，但由于MRAM一般都具有较大的矫顽场，需要较大的磁场来实现磁信息的写入，因而能耗较高。利用磁场对信息进行写入，其写入速度也较慢。铁电随机存储器(FerroelectricRandom Access Memory, FeRAM)利用电场来调控铁电极化态从而写入信息，其写入速度很快且能耗较低，但由于在电学读取过程具有破坏性，这也限制了FeRAM的应用。如果能把FeRAM中电学写入速度快和能耗低的特点和MRAM中磁学读取信息的无破换性和高速性的特点结合到一起，达到电写入和磁读取的目的，这样就能提高信息存储器件的信息读写效率。多铁性材料的发现使人们看到了解决这一问题的办法。

多铁性材料主要是指具有铁磁序、铁电序和铁弹序中两种或两种以上的序参量的功能材料，三种铁序之间存在直接或间接的耦合作用。其中，铁磁序和铁电序之间的耦合作用即磁电耦合效应，使得利用电场调控磁性成为可能。多铁材料中磁电耦合效应的发现为发展基于铁电-铁磁集成效应的新型高密度信息存储器件、磁电器件、微波器件以及电控磁技术提供了巨大的空间，成为当前国际上凝聚态研究领域的又一个新的研究热点。

广义上的多铁材料可以分为两类：一类是单相多铁材料,另一类是复相多铁材料。

单相多铁材料是指在一种成分均匀的化合物中同时具有铁磁序和铁电序的材料。在同一种材料中，铁磁性和铁电性是很难共存的。在同一种材料中实现铁磁序和铁电序的共存也是多铁材料研究的热点问题。

复相多铁材料是指通过人工的方法把铁磁性材料和铁电性材料复合在一起组成的材料。两相之间通过应力、界面相互作用等实现相互影响和调控。复相多铁材料中，按照人工复合的连通方式，可见其分为三类：0-3型颗粒复合结构；2-2型层状复合结构；1-3型柱状复合结构。2-2型层状复合结构的复相多铁材料，一般是将铁磁材料和铁电材料一层一层交替排列形成的水平异质结构。这种层状复合结构由于制备简单，已经成为当前复相多铁材料研究比较集中的结构形式。通常利用脉冲激光沉积、磁控溅射、溶胶-凝胶旋涂和分子束外延等方法制备，获得薄膜异质结结构。而利用薄膜异质结可以在纳米级尺度下将不同材料外延复合在一起，获得完美的界面。因此，在这种材料结构中，薄膜异质结外延结构是研究的重点。利用这种界面完美的外延异质结，可以研究其界面处电子、自旋、轨道和晶格等自由度之间的强烈耦合效应，获得许许多多新颖的物理现象，例如界面磁电耦合、轨道重构和界面多铁性等等。除此之外在这种结构中，铁电材料和铁磁材料可以根据研究的需要任意设计好组装，可以实现电性和磁性的相互调控，以及通过应变、场效应、交换偏置效应等来实现对磁电耦合的调控。

但目前多铁性异质结结构的研究中普遍存在电控磁效应弱，需要的调控场强度高等缺点，因此开发新的异质结薄膜的制备方法，获得强电控磁效应以及低响应场等成为当务之急。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多铁性异质结薄膜的制备方法。

本发明采用适当的制膜手段在铁电薄膜衬底上复合铁磁性薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜，辅以热处理渗氮技术在铁磁性薄膜中渗入氮原子，调控异质结界面处的预应力，进而在较低的外电场条件下实现铁磁性薄膜磁化状态的改变，实现电控磁的技术效果。

本发明的具体步骤为：

1）薄膜制备

在结构稳定的铁电薄膜衬底上通过脉冲激光沉积、磁控溅射、或分子束外延等方法复合铁磁性薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；

所述的铁电薄膜衬底为PMN-PT、BFO、PZT、BTO、PTO、PZN-PT中的一种；

所述的铁磁性薄膜为Fe、Co、Ni、CoFe、CoFeB、FeNi、FeSi、FeSiAl、FeAl中的一种；

2）界面调控

将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入含氮气体，在150~600℃温度下渗氮处理0.5~48h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；

所述的结构稳定的铁电薄膜在热处理过程中结构不受影响，而所述的铁磁性薄膜中会渗入氮原子，生成间隙固溶体或新相，导致晶格膨胀，在界面处产生应力；

所述的含氮气体为氮气、氨气、氮气+氢气、氨气+氢气中的一种。

测量渗氮以后多铁性异质结薄膜的电控磁效应，发现相比较渗氮之前，加载的响应电场强度发生改变。

本发明的有益效果：通过热处理过程在铁磁合金中渗入氮原子，铁磁合金的晶格膨胀，导致铁磁/铁电异质结薄膜界面处产生预应力；施加调控电场，铁电薄膜衬底在电场的作用下产生形变和应力；电场产生的应力通过界面与铁磁性薄膜中的预应力叠加，产生的综合应力使铁磁性薄膜的磁化状态发生改变，实现电控磁的技术效果。由于铁磁/铁电异质结薄膜界面处产生预应力的存在，使得较小的外电场就可能改变铁磁性薄膜的磁化状态，相当于降低了响应场，使多铁性异质结薄膜的进一步应用成为可能。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细描述，以便更好地理解本发明的目的、特点和优点。虽然本发明是结合该具体的实施例进行描述，但并不意味着本发明局限于所描述的具体实施例。相反，对可以包括在本发明权利要求中所限定的保护范围内的实施方式进行的替代、改进和等同的实施方式，都属于本发明的保护范围。对于未特别标注的工艺参数，可按常规技术进行。

本发明的具体步骤为：

1）薄膜制备

在结构稳定的铁电薄膜衬底上通过脉冲激光沉积、磁控溅射、或分子束外延等方法复合铁磁性薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；

所述的铁电薄膜衬底为PMN-PT、BFO、PZT、BTO、PTO、PZN-PT中的一种；

所述的铁磁性薄膜为Fe、Co、Ni、CoFe、CoFeB、FeNi、FeSi、FeSiAl、FeAl中的一种；

2）界面调控

将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入含氮气体，在150~600℃温度下渗氮处理0.5~48h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；

所述的结构稳定的铁电薄膜在热处理过程中结构不受影响，而所述的铁磁性薄膜中会渗入氮原子，生成间隙固溶体或新相，导致晶格膨胀，在界面处产生应力；

所述的含氮气体为氮气、氨气、氮气+氢气、氨气+氢气中的一种。

由于铁磁/铁电异质结薄膜界面处产生预应力的存在，使得较小的外电场就可能改变铁磁性薄膜的磁化状态，相当于降低了响应场，使多铁性异质结薄膜的进一步应用成为可能。

实施例1：

步骤为：

1）薄膜制备

在PMN-PT衬底上通过脉冲激光沉积方法复合Fe薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；

2）界面调控

将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入氨气和氢气，在150℃温度下渗氮处理48h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；

PMN-PT衬底在热处理过程中结构不受影响，而Fe薄膜中会渗入氮原子，导致晶格膨胀，在界面处产生应力。

实施例2：

步骤为：

1）薄膜制备

在BFO衬底上通过磁控溅射方法复合Co薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；

2）界面调控

将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入氨气和氢气，在200℃温度下渗氮处理40h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；

BFO衬底在热处理过程中结构不受影响，而Co薄膜中会渗入氮原子，导致晶格膨胀，在界面处产生应力。

实施例3：

步骤为：

1）薄膜制备

在PZT衬底上通过分子束外延方法复合Ni薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；

2）界面调控

将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入氨气和氢气，在250℃温度下渗氮处理36h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；

PZT衬底在热处理过程中结构不受影响，而Ni薄膜中会渗入氮原子，导致晶格膨胀，在界面处产生应力。

实施例4：

步骤为：

1）薄膜制备

在BTO衬底上通过分子束外延方法复合CoFe薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；

2）界面调控

将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入氨气，在320℃温度下渗氮处理20h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；

BTO衬底在热处理过程中结构不受影响，而CoFe薄膜中会渗入氮原子，导致晶格膨胀，在界面处产生应力。

实施例5：

步骤为：

1）薄膜制备

在PTO衬底上通过磁控溅射方法复合CoFeB薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；

2）界面调控

将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入氨气，在380℃温度下渗氮处理16h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；

PTO衬底在热处理过程中结构不受影响，而CoFeB薄膜中会渗入氮原子，导致晶格膨胀，在界面处产生应力。

实施例6：

步骤为：

1）薄膜制备

在PZN-PT衬底上通过磁控溅射方法复合FeNi薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；

2）界面调控

将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入氮气和氢气，在420℃温度下渗氮处理20h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；

PZN-PT衬底在热处理过程中结构不受影响，而FeNi薄膜中会渗入氮原子，导致晶格膨胀，在界面处产生应力。

实施例7：

步骤为：

1）薄膜制备

在PMN-PT衬底上通过脉冲激光沉积方法复合FeSi薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；

2）界面调控

将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入氮气，在500℃温度下渗氮处理6h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；

PMN-PT衬底在热处理过程中结构不受影响，而FeSi薄膜中会渗入氮原子，导致晶格膨胀，在界面处产生应力。

实施例8：

步骤为：

1）薄膜制备

在BFO衬底上通过脉冲激光沉积方法复合FeSiAl薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；

2）界面调控

将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入氮气，在550℃温度下渗氮处理2h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；

BFO衬底在热处理过程中结构不受影响，而FeSiAl薄膜中会渗入氮原子，导致晶格膨胀，在界面处产生应力。

实施例9：

步骤为：

1）薄膜制备

在BTO衬底上通过磁控溅射方法复合FeAl薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；

2）界面调控

将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入氨气，在600℃温度下渗氮处理0.5h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；

BTO衬底在热处理过程中结构不受影响，而FeAl薄膜中会渗入氮原子，导致晶格膨胀，在界面处产生应力。

Claims (1)

1.一种多铁性异质结薄膜的制备方法，其特征在于具体步骤为：

1）薄膜制备

在结构稳定的铁电薄膜衬底上通过脉冲激光沉积、磁控溅射、或分子束外延方法复合铁磁性薄膜，获得铁磁/铁电异质结薄膜；

所述的铁电薄膜衬底为PMN-PT、BFO、PZT、BTO、PTO、PZN-PT中的一种；

所述的铁磁性薄膜为Fe、Co、Ni、CoFe、CoFeB、FeNi、FeSi、FeSiAl、FeAl中的一种；

2）界面调控

将步骤1）制备的铁磁/铁电异质结薄膜放入热处理炉中，以恒定的速率通入含氮气体，在150~600℃温度下渗氮处理0.5~48h；降温，随炉冷却至室温，取出样品；

所述的结构稳定的铁电薄膜在热处理过程中结构不受影响，而所述的铁磁性薄膜中会渗入氮原子，生成间隙固溶体或新相，导致晶格膨胀，在界面处产生应力；

所述的含氮气体为氮气、氨气、氮气+氢气、氨气+氢气中的一种。