CN108251799B - 基于非晶SmCo的磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用 - Google Patents

基于非晶SmCo的磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN108251799B
CN108251799B CN201810072164.3A CN201810072164A CN108251799B CN 108251799 B CN108251799 B CN 108251799B CN 201810072164 A CN201810072164 A CN 201810072164A CN 108251799 B CN108251799 B CN 108251799B
Authority
CN
China
Prior art keywords
smco
heterojunction structure
pmn
amorphous
magnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810072164.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108251799A (zh
Inventor
梁文会
胡凤霞
熊杰夫
李佳
乔凯明
刘瑶
匡皓
王晶
孙继荣
沈保根
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Physics of CAS
Original Assignee
Institute of Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Physics of CAS filed Critical Institute of Physics of CAS
Priority to CN201810072164.3A priority Critical patent/CN108251799B/zh
Publication of CN108251799A publication Critical patent/CN108251799A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108251799B publication Critical patent/CN108251799B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • C23C14/3414—Metallurgical or chemical aspects of target preparation, e.g. casting, powder metallurgy
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)

Abstract

本发明提供一种具有面内磁各向异性和磁电耦合性质的异质结结构及其制备方法和应用，所述异质结结构依次包括：(011)取向的单晶衬底、非晶SmCo膜层和Cr覆盖层。由(011)取向的单晶衬底所提供的面内各向异性应力场可诱导非晶SmCo薄膜产生面各向异性。其中，当衬底为PMN‑PT时，异质结结构具体来说是一种磁电耦合异质结结构，本发明的磁电耦合异质结结构是一种全新的以非晶永磁SmCo合金做为铁磁层的多铁复合物异质结。由于兼具良好面各向异性和非易失性各向异性磁记忆效应，该异质结在磁存储、磁记录、高灵敏磁电弱信号探测器、磁能积可调的微型永磁材料，传感器、逻辑器件和电控磁记录等方面都有潜在的应用价值。

Description

基于非晶SmCo的磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及基于非晶SmCo的磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用，具体涉及一种具有面各向异性和非易失性磁记忆效应的非晶SmCo薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
非晶SmCo薄膜在信息存储方面具有非常大的应用潜能，其高矫顽力对于高存储密度的实现至关重要，而非晶态中较少的晶界又保证了较高的信噪比，与此同时，光滑的薄膜表面使得接触式磁记录成为可能，除此之外，具有面各向异性的非晶SmCo薄膜使得磁记录的发展更加迅猛。人们对非晶SmCo薄膜的畴结构、磁各向异性以及磁致伸缩等性质进行了广泛的研究。但到目前为止，非晶SmCo薄膜的面各向异性都是由生长过程中平行于膜面的外加磁场诱导产生的，易磁化轴沿着外磁场方向，而且这些薄膜大多生长在多晶或者非晶衬底上，尚没有报道由各向异性的单晶衬底提供的应力场诱导产生的非晶SmCo薄膜的面各向异性，而此种材料对信息存储器的发展来说，无疑是非常重要的。
磁电耦合或者逆磁电耦合效应是指在某一种材料中加磁场导致物质的电极化状态发生变化或者加电场导致物质的磁化状态发生变化，也即在同一种材料中实现磁性和电性的耦合。由于从传统的铁电性和铁磁性的实现机理来说，两者在同一种材料中同时实现以及产生耦合效果是非常困难的。现有的具有磁电耦合的单相材料包括BiFeO3、Cr2O3、TbMnO3、YMnO3和MnWO4等。这类材料种类比较少，铁电性和铁磁性都比较弱，并且其耦合作用也比较弱。
近些年来，一类研究比较广泛的磁电耦合复合材料体系引起人们的极大关注，这类材料简单的将铁电性和铁磁性的材料复合在一起，其形式包括0-3型颗粒复合结构，1-3型柱状复合结构以及2-2型层状复合结构等。但是这些复合形式都有各自的缺点，比如，0-3型颗粒复合时，由于界面之间的相互渗透作用，铁电材料的绝缘性下降，从而导致电荷泄露问题。
一种比较广泛的复合方式，即薄膜的生长，这种复合方式的优点在于，通过一些日趋成熟的薄膜生长技术，比如磁控溅射、分子束外延以及脉冲激光沉积技术将不同的相(铁电相和铁磁相)直接以原子级别的结合方式结合起来，从而将铁电材料和铁磁材料复合起来。在已有的报道中，具有代表性的压电材料包括PbTiO3、BaTiO3、PMN-PT等，而铁磁性材料则包括具有相分离效应的锰氧化物LaCaMnO3和LaSrMnO3，以及软磁金属单质和合金，包括Fe、Ni、Co、FeCoB等，以及Fe3O4、CoFe2O4等铁酸盐。通过将这两类材料用各种不同的手段结合起来，可以实现在不同温度区域对于铁磁性材料的矫顽力，饱和磁化强度，以及剩磁等各种磁性参数的调控。
在已有的报道中，电场对于磁性的调控多数属于线性调控，是“易失的”，不具有记忆效应，即当施加在样品上的电场撤回到零时，由于应变随电场的撤销而消失，从而导致磁性薄膜对电场的响应不能够稳定在电场作用下的状态，而是很快回到了未加电场时的初始状态，这对应用是很不利的。磁存储需要具有非易失性，也就是具有记忆效应，写入或者读取数据后能够继续保留数据，即撤掉电场后仍能保持在调控后的状态，所以具有非易失性磁记忆效应的材料是才能够更好地被应用于磁存储领域。
PMN-PT是具有良好反压电特性的弛豫性铁电衬底。例如，对于(011)取向的单晶PMN-PT衬底，沿着其面外(011)方向加电压可以在面内产生很大的各向异性应变，[100]方向为-0.31％，[01-1]方向为0.018％。人们对由PMN-PT和铁磁性材料组成的异质结进行了广泛的研究，但到目前为止，尚没有报道由具有面各向异性的非晶永磁材料和具有逆磁电耦合性质的铁电材料构成的异质结，而由这两种材料组成的电子器件正是现代微电子工业领域所迫切需求的，在多态存储器、传感器、逻辑器件等领域都具有非常广阔的应用前景。
发明内容
因此，本发明的目的是通过在(011)取向的单晶衬底生长非晶SmCo薄膜，获得一种产生并可调控面各向异性的新方法；制备由非晶SmCo薄膜和(011)取向的弛豫型铁电体PMN-PT构成的异质结，利用磁电耦合效应在SmCo薄膜中实现电场调控的非易失性各向异性磁记忆效应。
本发明的发明人通过深入研究发现，将(011)取向的单晶衬底SrTiO3(STO)、LaAlO3(LAO)或(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(0.27<x<0.33)(PMN-PT，具有逆压电效应的商业化铁电材料)与非晶态的SmCo结合起来，针对(011)取向单晶衬底与非晶SmCo薄膜的特性，选择合适的生长条件，便可以生长出具有面各向异性的非晶SmCo薄膜。这是首次在没有外加磁场的情况下生长出具有面各向异性的非晶SmCo薄膜，同时也是首次在具有逆压电效应的铁电PMN-PT氧化物衬底上生长出具有非易失性各向异性磁记忆效应的非晶SmCo薄膜。
除非另外说明，本文所用的术语PMN-PT、STO、LAO分别是商业化的化学成分为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(0.27<x<0.33)、SrTiO3和LaAlO3的单晶材料，取向均为(011)。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的。
本发明提供了一种具有面内磁各向异性和磁电耦合性质的异质结结构，所述异质结结构依次包括：(011)取向的单晶衬底、非晶SmCo膜层以及Cr覆盖层。
根据本发明提供的异质结结构，其中，所述非晶SmCo膜层的厚度可以为1～500nm，优选为10～100nm。
根据本发明提供的异质结结构，其中，所述非晶SmCo膜层的组成可以为Sm1-xCox，其中x＝0.56～0.92。
根据本发明提供的异质结结构，优选地，所述单晶衬底可以为PMN-PT((1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，0.27<x<0.33)、SrTiO3或LaAlO3，所述单晶衬底的取向均为(011)。
根据本发明提供的异质结结构，其中，当所述异质结结构以PMN-PT为衬底时，所述异质结结构还包括位于所述PMN-PT单晶衬底背面的金属电极。其中，所述金属电极的材料可以为Au、Ag、Cu、Al、In、Ni和Fe等金属中的一种或多种。优选地，所述金属电极的厚度为50～500nm。
本发明还提供了上述异质结结构的制备方法，包括如下步骤：
1)按化学式配制SmCo层的原料，在电弧炉中熔炼成合金锭；
2)将步骤1)熔炼好的合金锭融化后倒入磁控溅射靶材石英模具中，冷却后打磨、切割得到SmCo靶材；
3)利用磁控溅射技术使用步骤2)制得的SmCo靶材以及Cr靶材在(011)取向的单晶衬底上依次形成非晶SmCo膜层和Cr覆盖层，得到所述异质结结构。
根据本发明提供的制备方法，其中，所述单晶衬底可以为PMN-PT、SrTiO3或LaAlO3。当所述单晶衬底为PMN-PT时，所述制备方法还可以包括：4)将步骤3)得到的以PMN-PT为衬底的异质结结构在PMN-PT衬底背面利用离子束蒸发的方法蒸镀金属电极。
根据本发明提供的制备方法，其中，所述金属电极的材料可以为Au、Ag、Cu、Al、In、Ni、Fe等金属，优选地，所述金属电极的厚度为50～500nm。
根据本发明提供的制备方法，其中，用于形成所述非晶SmCo膜层的SmCo靶材的组成可以为Sm1-xCox，其中x＝0.56～0.92。
根据本发明提供的制备方法，其中，所述步骤3)可以具体地包括：将单晶衬底加热到300～500K，预溅射SmCo靶材1～20min后开始生长10～100nm厚的非晶SmCo层，然后再将温度降到室温，生长50～500nm厚的Cr覆盖层。
在一种优选的实施方案中，本发明提供了“Cr/a-SmCo/PMN-PT/金属电极”异质结的制备方法、以及实现逆磁电耦合效应的手段(其中，“a-”代表“非晶”)，该方法包括如下步骤：
1)按化学式Sm1-xCox配备原料，其中x＝0.56～0.92，将配好的原料放入电弧炉中，抽真空，用氩气清洗，并在氩气保护下熔炼，获得合金锭；
2)将步骤1)熔炼好的合金锭打磨去掉其表面的氧化层，切碎，放到陶瓷的坩埚中，利用感应熔炼炉制备SmCo靶材；
3)利用磁控溅射技术使用步骤2)制得的SmCo靶材在PMN-PT单晶衬底上生长非晶SmCo膜层，然后生长Cr覆盖层，得到Cr/a-SmCo/PMN-PT异质结结构；
4)在步骤3)得到的Cr/a-SmCo/PMN-PT异质结结构的PMN-PT衬底背面蒸镀金属电极，生成“Cr/a-SmCo/PMN-PT/金属电极”异质结结构。
蒸镀金属电极是为了便于在金属电极和Cr覆盖层之间施加电场。电场驱动PMN-PT衬底产生的极化以及应变效应直接传递到非晶SmCo薄膜，从而实现对非晶SmCo磁性质的调控，即电控磁，也就是逆磁电耦合效应。
根据本发明提供的制备方法，其中，原材料Sm和Co，均可以是商业化单质元素。商业化纯度通常不小于98.5wt％。PMN-PT可以是商业化的铁电衬底，Cr靶可以是商业化的靶材，其纯度大于99.99％。
根据本发明提供的制备方法，具体地，所述步骤1)可以包括：将配制好的原料放入电弧炉中，抽真空至真空度小于1×10-3Pa，用纯度大于99％的高纯氩气清洗炉腔1～2次，之后炉腔内充入该氩气至0.5～1.5个大气压，电弧起弧，获得合金锭，每个合金锭在1500～2500℃下反复熔炼1～3次。
具体地，所述步骤2)可以包括：将步骤1)熔炼好的足量的合金锭打磨去掉其表面的氧化层，切碎，放到陶瓷坩埚中，再置于感应熔炼炉中的线圈中间，抽真空至压力小于1×10-3Pa，用氩气清洗，在氩气保护下给感应线圈加感应电流，将其融化，倒入磁控溅射需要的大小的石英模具中，冷却，取出打磨，线切割成所需要的合适尺寸的靶材。
根据本发明提供的制备方法，所述步骤3)可以具体地包括：利用步骤1)制得的Sm1-xCox靶材和磁控溅射技术制备“Cr/a-SmCo/PMN-PT/金属电极”异质结，以商业化的PMN-PT做为衬底，将PMN-PT单晶衬底置入磁控溅射仪准备腔中，同时将Cr靶材和制得的Sm1-xCox靶材均置入磁控溅射仪器的生长室中；首先对基片进行预溅射，溅射完毕后，将基片传入生长室中，加热基片，当温度达到约300～500K时，生长非晶SmCo薄膜(厚度为10～100nm)；生长完以后，将温度降到室温，生长Cr覆盖层(厚度约50nm)以保护非晶SmCo薄膜不被氧化。最后取出。将取出的Cr/a-SmCo/PMN-PT异质结在PMN-PT衬底背面蒸镀金属电极，如Au、Ag、Cu、Al等，即生成兼具面各向异性和电场调控的非易失性各向异性磁记忆效应的“Cr/a-SmCo/PMN-PT/金属电极”异质结结构。
本发明还提供了上述异质结结构或者按照本发明方法制得的异质结结构在高灵敏磁电弱信号探测器、磁能积可调的微型硬磁材料、电控磁记录、磁场探测器、磁性存储器件、传感器和逻辑器件中的应用。
与现有技术相比，本发明有两个明显的优势。一方面，发明人首次在(011)取向的单晶衬底上生长出了具有面各向异性的非晶SmCo薄膜，各向异性常数的数值表明，由衬底的应力场导致的非晶SmCo薄膜的面各向异性可以相当于在生长过程中外加一个千量级Oe的磁场。由于具有良好的面各向异性，该异质结在磁存储、磁记录、逻辑器件等方面都有潜在应用价值。另一方面，发明人首次在具有逆压电效应的氧化物PMN-PT单晶衬底上生长出非晶SmCo薄膜，所制备出的异质结构兼具明显面各向异性和电场调控的非易失性各向异性磁记忆效应。室温时面内两个方向具有不同的剩磁比，并表现出对外加电场的不同响应，证明了电场对面内剩磁的各向异性调控。更重要的是，撤掉电场后，薄膜剩磁Mr1并不恢复到初始状态，而是到达剩磁Mr2。并且随着电场正负极性的切换，剩磁态反复稳定地在Mr1和Mr2之间切换，实现了对剩磁态的稳定记忆和非易失性调控。本发明的异质结结构(此处特指以PMN-PT(011)为衬底的异质结结构)是一种全新的以非晶SmCo合金做为铁磁层的多铁复合物异质结。由于兼具良好面各向异性和电场调控的非易失性各向异性磁记忆效应，该异质结在磁存储、磁记录、高灵敏磁电弱信号探测器、磁能积可调的微型永磁材料、传感器、逻辑器件和电控磁记录等方面都有潜在应用价值。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1A和图1B为实施例10和11制得的“Cr/a-SmCo/STO(011)”和“Cr/a-SmCo/LAO(011)”异质结的室温XRD图谱。
图2A～图2E依次为实施例2、10、11、12、13制得的“Cr/a-SmCo/substrate(substrate依次为PMNPT(011)、STO(011)、LAO(011)、STO(001)和LAO(001))”异质结在磁场平行于薄膜表面时测得的M-H曲线。
图3为本发明“Cr/a-SmCo/substrate”(substrate为STO和LAO)异质结的结构示意图。
图4为本发明“Cr/a-SmCo/PMN-PT/金属电极”异质结的结构示意图。
图5A～图5D依次为实施例2制得的“Cr/a-SmCo/PMN-PT(011)/Au”异质结在面内不同方向上剩磁状态下磁化强度Mr随加载在PMN-PT异质结上的电压E的变化曲线(Mr-E曲线)以及加载脉冲电压时剩余磁化强度随时间的变化曲线(Mr-Time曲线)，其中：(图5A)[100]方向，Mr-E曲线；(图5B)[100]方向，Mr-Time曲线；(图5C)[01-1]方向，Mr-E曲线；(图5D)[01-1]方向，Mr-Time曲线。
图6A～图6D依次为实施例2制得的“Cr/a-SmCo/PMN-PT(011)/Au”异质结在不同电场下面内两个方向的M-H曲线以及相应的剩余磁化强度Mr随加载在PMN-PT异质结上的电压E的变化曲线(Mr’-E曲线)。其中：图6A为[100]方向，M-H曲线；图6B为[100]方向，Mr-E曲线；图6C为[01-1]方向，M-E曲线；图6D为[01-1]方向，Mr-E曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
实施例中使用的原料及设备的说明如下：
1)(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，0.27<x<0.33，单晶衬底，取向为(011)、(001)和(111)；SrTiO3单晶衬底，取向为(011)、(001)和(111)；LaAlO3单晶衬底，取向为(011)、(001)和(111)。所有衬底均购自合肥科晶材料技术有限公司；
2)本发明实施例中制备SmCo靶材所用原料Sm和Co是商业化单质元素，纯度均不小于98.5wt％；
3)制备异质结所用磁控溅射仪为电北京物科光电技术有限公司生产，型号：IPG-560C型双室磁控溅射系统；测量磁性用的Quantum Design(USA)公司生产的型号为SQUID-VSM、SQUID-MPMS超导量子磁强计。
本发明实施例的“Cr/a-SmCo/substrate(substrate为STO或LAO)”和“Cr/a-SmCo/PMN-PT/金属电极”异质结的制备方法如下：
1)分别按化学式Sm1-xCox(x＝0.56、0.65、0.74、0.83和0.92)配比称取Sm、Co原材料、配料。
2)将步骤1)配制好的原料放入电弧炉中，抽真空至3×10-3帕以上，用通常的高纯氩气(纯度99.996wt％)清洗方法清洗2次后，在1个大气压的高纯氩气保护下，电弧起弧，反复熔炼3次，熔炼温度为2000℃。熔炼结束后，在铜制坩埚中冷却获得铸态合金锭。
3)将步骤2)熔炼好的足量的合金锭打磨去掉其表面的氧化层，切碎，放到陶瓷的坩埚中，再置于感应熔炼炉中的线圈中间，抽真空至5×10-4帕以上，用氩气清洗，在1个大气压的高纯氩气保护下给感应线圈加感应电流，将其融化完全后，倒入磁控溅射靶材需要的大小约为6cm的石英模具中，冷却，取出打磨，线切割成所需要尺寸的靶材。
4)利用步骤3)制得的SmCo靶材、Cr靶材以及购得的PMN-PT、STO和LAO单晶衬底，并利用磁控溅射技术制备异质结。将衬底置入磁控溅射仪器的准备腔(背底真空1×10-6Pa)中，利用其射频电源，室温5Pa的氩气压下，对基片进行反溅射清洗20分钟。基片清洗完毕后，将基片传入生长室(背底真空1×10-6Pa)中，将氩气压调节到0.8Pa，将基片温度稳定在室温，0.8Pa氩气压下预溅射SmCo靶材5min后，0.45Pa氩气压下开始生长10～100nm厚的非晶SmCo薄膜，生长完以后，相同温度，0.35Pa氩气压下溅射生长50nm厚的Cr覆盖层。最后，取出样品。此时，具有面各向异性的“Cr/a-SmCo/substrate(substrate为STO或LAO)”异质结制备完成。磁测量可观察到良好的面各向异性。
对于PMN-PT作为衬底的异质结，还进行步骤5)将步骤4)中生长好的以PMN-PT作为衬底的异质结在衬底背面利用离子束蒸发的方法蒸镀厚度约100nm的金属底电极，生成兼具面各向异性和电场调控的非易失性各向异性磁记忆效应的“Cr/a-SmCo/PMN-PT/金属电极”异质结。磁测量可观察到良好的面各向异性，在金属底电极和Cr覆盖层之间施加电压可观察到显著的电场调控的非易失性各向异性磁记忆效应。
以下具体说明各实施例中采用的SmCo靶材的组成以及制得的异质结结构的组成。
实施例1
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.83)，
生长条件为：300K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：10nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(10nm)/PMN-PT(111)。
实施例2
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.83)，
生长条件为：300K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：50nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(50nm)/PMN-PT(011)。
实施例3
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.83)，
生长条件为：300K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：100nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(100nm)/PMN-PT(011)。
实施例4
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.83)，
生长条件为：400K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：50nm异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(50nm)/PMN-PT(011)。
实施例5
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.56)，
生长条件为：300K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：10nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(10nm)/PMN-PT(111)。
实施例6
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.65)，
生长条件为：400K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：50nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(50nm)/PMN-PT(011)。
实施例7
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.74)，
生长条件为：300K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：50nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(50nm)/PMN-PT(001)。
实施例8
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.92)，
生长条件为：300K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：50nm
异质结结构的组成为：Cr(10nm)/a-SmCo(50nm)/PMN-PT(011)。
实施例9
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.92)，
生长条件为：500K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：50nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(50nm)/PMN-PT(011)。
实施例10
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.83)，
生长条件为：300K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：50nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(50nm)/STO(011)。
实施例11
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.83)，
生长条件为：300K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：50nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(50nm)/LAO(011)。
实施例12
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.83)，
生长条件为：300K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：50nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(50nm)/STO(001)。
实施例13
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.83)，
生长条件为：300K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：50nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(50nm)/LAO(001)。
实施例14
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.83)，
生长条件为：400K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：10nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(10nm)/STO(001)。
实施例15
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.92)，
生长条件为：300K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：50nm
异质结结构的组成为：Cr(10nm)/a-SmCo(50nm)/LAO(111)。
实施例16
SmCo靶材的组成为：Sm1-xCox(x＝0.74)，
生长条件为：300K下生长非晶SmCo薄膜，厚度：50nm
异质结结构的组成为：Cr(50nm)/a-SmCo(50nm)/STO(111)。
性能测试与表征：
1)晶体结构测量
利用Cu靶X射线衍射仪测定了不同衬底的异质结的室温XRD图谱。图1给出了典型性实施例10[Cr/a-SmCo/STO(011)]和实施例11[Cr/a-SmCo/LAO(011)]制得的异质结的XRD衍射图谱。可以看出，对于所有异质结，其XRD图谱中除了单晶衬底的衍射峰之外并没有其它杂峰，没有杂相。也即在合适的生长条件下，可以得到完全呈非晶相的非晶SmCo薄膜。
2)面各向异性测量
利用超导量子干涉振动样品磁强计(SQUID-VSM)测定了异质结在磁场平行于薄膜表面时的室温M-H曲线，如图2A～图2E所示。从曲线可以看出，非晶SmCo薄膜是否为各向异性与衬底是否能提供各向异性的残余应力有关。图2A、2B、2C分别给出典型性实施例2[Cr/a-SmCo/PMN-PT(011)/Au]、实施例10[Cr/a-SmCo/STO(011)]和实施例11[Cr/a-SmCo/LAO(011)]的测量结果，从样品室温面内两个方向的M-H曲线可以看出，生长在(011)取向的单晶衬底上的非晶SmCo薄膜具有明显的面各向异性，晶格常数大的[01-1]方向为易磁化方向，晶格常数小的[100]方向为难磁化方向。计算表明，生长在PMN-PT(011)(晶格参数：
Figure BDA0001558458100000111
)、STO(011)(晶格参数：
Figure BDA0001558458100000112
)、LAO(011)(晶格参数：
Figure BDA0001558458100000113
)单晶衬底上的非晶SmCo薄膜的各向异性常数kA分别为1.2*106、1.6*106和2.0*106(erg/cm3)。可以发现kA随衬底晶胞参数的减小单调增加。图2D和2E分别给出典型性实施例12[Cr/a-SmCo/STO(001)]和实施例13[Cr/a-SmCo/LAO(001)]的测量结果，可以看出，生长在(001)取向的单晶衬底上的非晶SmCo薄膜各向同性，面内两个方向[100]和[010]的M-H曲线基本重合。两个方向M-H曲线的微小差异是由于衬底和薄膜的界面处有少许纳米晶生成而导致的。
总而言之，对于(011)取向的单晶衬底来说，其面内两个方向的晶格常数不同，为薄膜提供了各向异性应力场，从而诱导非晶SmCo薄膜面各向异性的产生，各向异性常数kA随衬底晶胞参数的减小单调增加；而对于(001)取向的单晶衬底来说，其面内两个方向是等价的，生长在其上的非晶SmCo薄膜是各向同性的。
3)电场调控的非易失性各向异性磁记忆效应测量
为表征实施例2所制备的(Cr/a-SmCo/PMN-PT(011))异质结的逆磁电耦合效应，本发明的发明人利用自行设计的可用于SQUID-MPMS仪器的测量杆，利用keithley 6517B电表原位给所制备异质结加电压。如图4所示，所加电压方向垂直于PMN-PT衬底。发明人分别测量了面内两个方向([100]和[01-1])剩磁状态下的Mr-E曲线(即：磁化强度随加载于PMN-PT衬底上的电压的变化)和Mr-Time曲线(即：在PMN-PT衬底上加载脉冲电压时，剩余磁化强度Mr随时间的变化)，发现面内两个方向均有不同程度的逆磁电耦合效应。
图5A～图5D对比给出测定的典型性实施例2所制备异质结[Cr(50nm)/a-SmCo(50nm)/PMN-PT(011)/Au]面内两个方向([100]和[01-1])剩磁状态下的Mr-E曲线和Mr-Time曲线。磁场先加到1T，而后降到0，由此得到剩磁状态。加电场的顺序为，由0增大到+8kV/cm，而后反向加电场至-8kV/cm，再回到0，根据需要，此过程循环往复。
总结可得，当磁场沿着[100]方向时，剩余磁化强度(Mr)随垂直于膜面电场的减小而减小：电场从+8kV/cm(图5A中点C)变为0(图5A中点D)时，Mr由Mr(+8)(～317.8emu/cm3)降低到Mr(+0)(～315.0emu/cm3)；电场从-8kV/cm(图5A中点F)变为0(图5A中点A)时，Mr由Mr(-8)(～328.5emu/cm3)降低到Mr(-0)(～325.3emu/cm3)。Mr(+0)和Mr(-0)相差很大，电场撤掉后磁化强度并不能回到最初的值，[Mr(+0)-Mr(-0)]/Mr(+0)达到了-3.2％，并且随着电场正负极性的切换，剩磁态反复稳定地在Mr(+0)和Mr(-0)之间切换，实现了对剩磁态的稳定记忆和非易失性调控；与此同时，当电场由0(图5A中点D)增大到-8kV/cm(图5A中点F)时，[Mr(+0)-Mr(-8)]/Mr(+0)达到了-5.8％，电场对于磁性的调控是非常显著的。当磁场沿着[01-1]方向时，剩余磁化强度(Mr)随垂直于膜面电场的减小而增大：电场从+8kV/cm变为0时，Mr由Mr(+8)’(～658.7emu/cm3)增大到Mr(+0)’(～666.8emu/cm3)；电场从-8kV/cm变为0时，Mr由Mr(-8)’(～654.6emu/cm3)增大到Mr(-0)’(～659.1emu/cm3)。与磁场沿着[100]方向时的情况相比，Mr(+0)’和Mr(-0)’之间的差距稍微有所减小，但是电场撤掉后磁化强度依旧不能回到最初的状态，[Mr(+0)’-Mr(-0)’]/Mr(+0)’达到了+1.15％，并且随着电场正负极性的切换，剩磁态同样反复稳定地在Mr(+0)’和Mr(-0)’之间切换，实现了对剩磁态的稳定记忆和非易失性调控；与此同时，当电场由0增大到-8kV/cm时，[Mr(+0)’-Mr(-8)’]/Mr(+0)’达到了+2.2％，电场对于磁性的调控同样是非常显著的。面内两个方向([100]和[01-1])[Mr(+0)-Mr(-0)]/Mr(+0)以及[Mr(+0)-Mr(-8)]/Mr(+0)的不同表明，本异质结中的非易失性记忆效应是各向异性的。
图6A～图6D给出利用SQUID-VSM测量的实施例2制得的异质结(Cr/a-SmCo/PMN-PT(011)/Au)分别在磁场沿着[100]和[01-1]方向时，加载不同电场时的M-H曲线以及与该M-H曲线相对应的Mr’-E曲线，结果也与以上Mr-E和Mr-Time的结果(图5A～图5D)相一致，也即本发明制得的异质结在面内两个方向均存在记忆效应，在应变更大的[100]方向，记忆效应更加显著。
综合以上结果，其一，对于由不同成分的SmCo靶材制备的由覆盖层Cr和非晶SmCo薄膜构成的异质结“Cr/a-SmCo/STO(011)”、“Cr/a-SmCo/LAO(011)”以及“Cr/a-SmCo/PMN-PT(011)/金属电极”，发明人均发现显著的面各向异性。因此，为了保证SmCo薄膜完全呈非晶状态且具有面各向异性，需要适当厚度非晶SmCo薄膜(10nm～100nm)，适当厚度的Cr覆盖层来防止氧化，并且薄膜生长温度不超过500K，取向为(011)的单晶衬底。其二，对于由不同成分的SmCo靶材制备的由覆盖层Cr和非晶SmCo薄膜构成的异质结“Cr/a-SmCo/PMN-PT(011)/金属电极”，即利用(011)取向的弛豫型铁电单晶作为衬底，发明人发现可实现电场调控的显著的非易失性各向异性磁记忆效应。因此，为了实现非晶SmCo薄膜的面各向异性，保持PMN-PT衬底的绝缘性，以及应力的传递，需要适当厚度(例如50nm)的Cr覆盖层来防止表面氧化，适当厚度非晶SmCo薄膜(10nm～100nm)，并且非晶SmCo薄膜生长温度在300～500K。

Claims (17)

1.一种具有面内磁各向异性和磁电耦合性质的异质结结构，所述异质结结构依次包括：(011)取向的单晶衬底、非晶SmCo膜层和Cr覆盖层。
2.根据权利要求1所述的异质结结构，其中，所述非晶SmCo膜层的厚度为1～500nm。
3.根据权利要求2所述的异质结结构，其中，所述非晶SmCo膜层的厚度为10～100nm。
4.根据权利要求1所述的异质结结构，其中，所述非晶SmCo膜层的组成为Sm1-xCox，其中x＝0.56～0.92。
5.根据权利要求1所述的异质结结构，其中，所述单晶衬底为PMN-PT、SrTiO3或LaAlO3。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的异质结结构，其中，所述异质结结构的面内磁各向异性常数随单晶衬底的晶胞参数可调节。
7.根据权利要求1所述的异质结结构，当衬底为单晶PMN-PT时，所述的异质结结构兼具面内磁各向异性和电场调控的非易失性各向异性磁记忆效应。
8.根据权利要求1至5和7中任一项所述的异质结结构，其中，当所述单晶衬底为PMN-PT时，所述异质结结构还包括位于PMN-PT单晶衬底背面的金属电极。
9.根据权利要求8所述的异质结结构，其中，所述金属电极的材料为Au、Ag、Cu、Al、In、Ni和Fe中的一种或多种。
10.根据权利要求8所述的异质结结构，其中，所述金属电极的厚度为50～500nm。
11.权利要求1至10中任一项所述的异质结结构的制备方法，包括如下步骤：
1)按化学式Sm1-xCox配制SmCo靶材的原料，在电弧炉中熔炼成合金锭，其中x＝0.56～0.92；
2)将步骤1)熔炼好的合金锭融化后倒入磁控溅射靶材石英模具中，冷却后打磨、切割得到SmCo靶材；
3)利用磁控溅射技术使用步骤2)制得的SmCo靶材以及Cr靶材在(011)取向的单晶衬底上依次形成非晶SmCo膜层和Cr覆盖层，得到所述异质结结构。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其中，当所述单晶衬底为PMN-PT时，所述制备方法还包括：4)将步骤3)得到的以PMN-PT为衬底的异质结结构在PMN-PT衬底背面利用离子束蒸发的方法蒸镀金属电极。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其中，所述金属电极的材料为Au、Ag、Cu、Al、In、Ni和Fe中的一种或多种。
14.根据权利要求12所述的制备方法，其中，所述金属电极的厚度为50～500nm。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的制备方法，其中，所述步骤3)可以具体地包括：将单晶衬底加热到300～500K，预溅射SmCo靶材1～20min后开始生长10～100nm厚的非晶SmCo膜层，然后再将温度降到室温，生长50～500nm厚的Cr覆盖层。
16.根据权利要求11至14中任一项所述的制备方法，其中，该方法包括如下步骤：
1)按化学式Sm1-xCox配备原料，其中x＝0.56～0.92，将配好的原料放入电弧炉中，抽真空，用氩气清洗，并在氩气保护下熔炼，获得合金锭；
2)将步骤1)熔炼好的合金锭打磨去掉其表面的氧化层，切碎，放到陶瓷的坩埚中，利用感应熔炼炉制备SmCo靶材；
3)利用磁控溅射技术使用步骤2)制得的SmCo靶材在PMN-PT单晶衬底上生长非晶SmCo膜层，然后生长Cr覆盖层，得到Cr/a-SmCo/PMN-PT异质结结构；
4)在步骤3)得到的Cr/a-SmCo/PMN-PT异质结结构的PMN-PT衬底背面蒸镀金属电极，生成“Cr/a-SmCo/PMN-PT/金属电极”异质结结构。
17.权利要求1至10中任一项所述的异质结结构或者按照权利要求11至16中任一项所述制备方法制得的异质结结构在高灵敏磁电弱信号探测器、磁能积可调的微型硬磁材料、电控磁记录、磁场探测器、磁性存储器件、传感器和逻辑器件中的应用。
CN201810072164.3A 2018-01-25 2018-01-25 基于非晶SmCo的磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用 Active CN108251799B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810072164.3A CN108251799B (zh) 2018-01-25 2018-01-25 基于非晶SmCo的磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810072164.3A CN108251799B (zh) 2018-01-25 2018-01-25 基于非晶SmCo的磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108251799A CN108251799A (zh) 2018-07-06
CN108251799B true CN108251799B (zh) 2020-03-17

Family

ID=62742251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810072164.3A Active CN108251799B (zh) 2018-01-25 2018-01-25 基于非晶SmCo的磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108251799B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112349828B (zh) * 2020-10-22 2023-01-31 华东师范大学 一种单晶磁性/铁电多层膜异质结及制备方法和应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101429646A (zh) * 2008-12-12 2009-05-13 厦门大学 无诱导磁场下产生面内单轴磁各向异性的薄膜的制备方法
CN106449971A (zh) * 2016-10-27 2017-02-22 中国科学院物理研究所 一种磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101429646A (zh) * 2008-12-12 2009-05-13 厦门大学 无诱导磁场下产生面内单轴磁各向异性的薄膜的制备方法
CN106449971A (zh) * 2016-10-27 2017-02-22 中国科学院物理研究所 一种磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Anisotropic Magnetostriction and Domain Wall;Reda Moubah etal;《Applied Physics Express》;20131231;第6卷;第053004-1-053004-3页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108251799A (zh) 2018-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Recent developments of rare-earth-free hard-magnetic materials
CN106449971B (zh) 一种基于NdFeB的电控磁结构及其制备方法和应用
JP6647590B2 (ja) 垂直磁化膜と垂直磁化膜構造並びに磁気抵抗素子および垂直磁気記録媒体
JP2015090870A (ja) 強磁性トンネル接合体の製造方法
Mukherjee et al. Simultaneous enhancements of polarization and magnetization in epitaxial Pb (Zr 0.52 Ti 0.48) O 3/La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 multiferroic heterostructures enabled by ultrathin CoF e 2 O 4 sandwich layers
JP6873506B2 (ja) 垂直磁化膜の前駆体構造、垂直磁化膜構造、およびその製造方法、これらを用いた垂直磁化型トンネル磁気抵抗接合膜およびその製造方法、ならびにこれらを用いた垂直磁化型トンネル磁気抵抗接合素子
Zhang et al. Progress in ferrimagnetic Mn4N films and its heterostructures for spintronics applications
KR102432900B1 (ko) 수직 자화막 및 이를 포함하는 자기 장치
Sharma et al. Observation of unusual magnetic behavior: spin reorientation transition in thick Co–Fe–Ta–B glassy films
Kaixin et al. Multiferroic and in-plane magnetoelectric coupling properties of BiFeO3 nano-films with substitution of rare earth ions La3+ and Nd3+
CN108251799B (zh) 基于非晶SmCo的磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用
Loloee Epitaxial Ni3FeN thin films: A candidate for spintronic devices and magnetic sensors
Long et al. Origin of room-temperature ferromagnetism for cobalt-doped ZnO diluted magnetic semiconductor
Ma et al. A study of sputtering process for nanocrystalline FeAlN soft magnetic thin films
Niesen et al. Structural and Magnetic Properties of Sputter-Deposited Mn–Fe–Ga Thin Films
CN107134341A (zh) 一种垂直取向强磁性介质薄膜及其制备方法
JP2017041606A (ja) 垂直磁化膜構造およびその製造方法、それを用いた磁気抵抗素子およびその製造方法、ならびにこれらを用いたスピントロニクスデバイス
Sharma et al. Anomalous temperature dependence of coercivity at low temperature in $ L1_ {0} $ FePt thin films
Liu et al. Electric field control of magnetic properties of Nd2Fe14B thin films grown onto PMN-PT substrates
Guo et al. The ferroelectric and ferromagnetic characterization of CoFe2O4/Pb (Mg1/3Nb2/3) O3–PbTiO3 multilayered thin films
Sun et al. Magnetic properties and microstructure studies of Sm–Fe magnetic thin films
Kawamura et al. Functional intermetallic compounds in the samarium–iron system
Dai et al. Enhanced Curie temperature and magnetoelectric effect in B a T i O 3-based piezoelectrics and N i F e 2 O 4 composite thin films deposited via pulsed laser deposition
Zhang et al. Temperature-Dependence of Static Magnetic Properties of FeGa Thin Film Fabricated by Pulsed Laser Deposition
Liu et al. Magnetic properties of FeCo films prepared by co-sputtering and hydrogenous gas reactive sputtering

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant