本發(fā)明屬于磁性材料領(lǐng)域，特別涉及用于磁存儲(chǔ)器件以及各類傳感器的一種磁控共濺射制備面內(nèi)磁化哈斯勒合金薄膜的方法。

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)的微電子學(xué)中，傳統(tǒng)的電子學(xué)器件通常是利用電子的電荷特性，是不考慮電子的自旋狀態(tài)的。但是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片的體積的要求在不斷地減小，而存儲(chǔ)容量的要求也在不斷地?cái)U(kuò)大，基于電子的電荷特性的傳統(tǒng)電子學(xué)己不能滿足科學(xué)發(fā)展和人類的要求。在科學(xué)與需求的推動(dòng)下，電子的自旋特性被科學(xué)家和研究者們關(guān)注并加以利用來進(jìn)一步地提高信息處理的速度和存儲(chǔ)密度。在這樣的背景下，一門新的學(xué)科一自旋電子學(xué)誕生了。自旋電子器件由于對(duì)電子的自旋特性加以了利用，大大地提高了電子器件的使用性能，這類器件有著非易失性、數(shù)據(jù)處理速度快、能耗低和集成度高的優(yōu)質(zhì)特性。盡管自旋電子器件有著如此多的高性能，但是在實(shí)際的材料需求上有著較高的要求，它要求材料具有高自旋極化率，即在費(fèi)米能級(jí)附近分別具有自旋向上和自旋向下的電子數(shù)目不平衡，且越不平衡越有好。

Heusler（哈斯勒） 合金是一種高度有序的具有體心立方結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，一般分為Full-Heusler 和 Half-Heusler 兩種合金，化學(xué)通式分別為 X₂YZ 與 XYZ，其中 X 和Y 代表不同的過渡族金屬元素，Z 代表 sp （第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ主族）元素。

目前 Heusler 合金的研究結(jié)果表明，Heusler 合金具有的復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)是由即有局域的 d電子軌道的過渡族元素又有非局域的sp電子軌道的主族元素組合而成的。同時(shí)，又由于 Heusler 合金的原子占位與其物理特性密切相關(guān)，使同樣成分的合金經(jīng)過不同的制備方式和熱處理過程均會(huì)影響到晶體結(jié)構(gòu)和原子的有序度，進(jìn)而調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)、磁性、相變等。這些因素使得 Heusler合金產(chǎn)生許多新功能材料，諸如鐵磁性形狀記憶合金與超彈性材料、巨磁電阻材料、超導(dǎo)材料、磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變材料、半金屬材料、熱電材料以及拓?fù)浣^緣體等許多新功能材料。正是由于 Heusler 合金中蘊(yùn)藏著如此多的性能，使其在新材料的開發(fā)中擁有巨大的應(yīng)用價(jià)值和前景，并成為探索新型功能材料的重要領(lǐng)域之一；同時(shí)由于 Heusler合金的高有序結(jié)構(gòu)，為我們能用第一性原理系統(tǒng)的計(jì)算研究其電子結(jié)構(gòu)提供了極大地便利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述哈斯勒合金制備方法的上述不足之處，提供一種磁控共濺射制備面內(nèi)磁化哈斯勒合金薄膜的方法，利用Co靶、Mn靶和Al靶三靶共濺射，通過調(diào)節(jié)三靶的濺射功率很好的調(diào)整生長(zhǎng)薄膜的厚度以及成分，從而控制薄膜的超導(dǎo)性能，獲得高居里溫度以及百分之百的自旋極化率的鐵磁性材料，使其在自旋閥和磁隧道結(jié)中作為鐵磁層應(yīng)用時(shí)，提高器件的磁電阻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)超高的磁存儲(chǔ)密度，

本發(fā)明的方法之一包括以下步驟：

1、采用SiO₂作為襯底材料，將襯底材料經(jīng)過超聲波清洗處理后，通過傳樣品桿傳送入磁控濺射真空室中的樣品臺(tái)上；

2、將所需要的靶材放入磁控濺射真空室的靶位上；所述的靶材材料分別為純度≥99.999%的金屬材料X_、Y和Z；所述的金屬材料X為Cu、Ni或Co；所述的金屬材料Y為Fe、Cr或Mn，所述的金屬材料Z為Al、Si、Ge或B；

3、抽真空至磁控濺射室的真空度≤2×10^-5Pa；

4、通過磁控共濺射在襯底材料表面制備哈斯勒合金薄膜，工作氣體為純度≥99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.01~0.4Pa，沉積速率為5~10nm/min，靶材到襯底材料的距離為20~30cm，濺射時(shí)間設(shè)定5~10 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜。

本發(fā)明的方法之二包括以下步驟：

1、采用SiO₂作為襯底材料，將襯底材料經(jīng)過超聲波清洗處理后，通過傳樣品桿傳送入磁控濺射真空室中的樣品臺(tái)上；

2、將所需要的靶材放入磁控濺射真空室的靶位上；所述的靶材材料分別為純度≥99.999%的金屬材料Cr、X、Y和Z；所述的金屬材料X為Cu、Ni或Co；所述的金屬材料Y為Fe、Cr或Mn，所述的金屬材料Z為Al、Si、Ge或B；

3、抽真空至磁控濺射室的真空度≤2×10^-5Pa；

4、通過磁控濺射在襯底材料表面制備哈斯勒合金薄膜，工作氣體為純度≥99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.01~0.4Pa，沉積速率為5~10nm/min，靶材到襯底材料的距離為20~30cm，濺射時(shí)間1~2 min，在襯底材料表面制成Cr膜；

5、通過磁控共濺射在襯底材料表面制備哈斯勒合金薄膜，工作氣體為純度≥99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.01~0.4Pa，沉積速率為5~10nm/min，靶材到襯底材料的距離為20~30cm，濺射時(shí)間5~10 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜。

上述的超聲波清洗處理的步驟為：將襯底材料按順序依次分別置于丙酮、乙醇和去離子水中，并用超聲波清洗，在每種液體中超聲清洗時(shí)間為15~20min，然后用氮?dú)獯蹈?，?00±10℃條件下熱處理8~10min，使襯底材料表面殘留物去除。

上述兩種方法中，哈斯勒合金薄膜的成分為X₂YZ，厚度為48~56nm。

上述的方法之二中，Cr膜的厚度為9~12nm。

上述的SiO₂純度≥99.9%。

本發(fā)明的有益效果為：采用磁控共濺射方法，制備過程中通入高純氬氣，作用是Ar轟擊靶材，制備的高純薄膜平行于磁各向異性，其粗糙度以及矯頑力有明顯的變化，制備時(shí)間短，純度高，設(shè)備簡(jiǎn)單，容易操作，成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的哈斯勒合金薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的哈斯勒合金薄膜的X-射線多晶衍射圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2制備的哈斯勒合金薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2制備的哈斯勒合金薄膜的X-射線多晶衍射圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中不同基板溫度以及有無Cr膜的磁化曲線圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中不同基板溫度以及有無Cr膜的表面粗糙度曲線圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例中采用的純度≥99.999%的金屬材料（Cr、X、Y和Z）為市購(gòu)產(chǎn)品。

本發(fā)明實(shí)施例中采用的X-射線多晶衍射設(shè)備型號(hào)為ULTIMA IV（日本）。

本發(fā)明實(shí)施例中測(cè)試磁化曲線采用的設(shè)備為振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，型號(hào)為L(zhǎng)ake Shore 7410 VSM。

本發(fā)明實(shí)施例中測(cè)試表面粗糙度采用原子力顯微鏡，型號(hào)為FM-Nanoview 6600。

本發(fā)明實(shí)施例中采用的襯底材料純度≥99.9%的SiO₂為市購(gòu)產(chǎn)品。

本發(fā)明實(shí)施例中進(jìn)行磁控濺射時(shí)，高純氬氣的流量30SCCM，樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)速度為40rpm，濺射功率20 ~40W。

本發(fā)明實(shí)施例中采用的襯底材料規(guī)格為1cm×1cm。

本發(fā)明實(shí)施例中超聲波清洗處理的步驟為：將襯底材料按順序依次分別置于丙酮、乙醇和去離子水中，并用超聲波清洗，在每種液體中超聲清洗時(shí)間為15~20min，然后用氮?dú)獯蹈?，?00±10℃條件下熱處理8~10min，使襯底材料表面殘留物去除。

實(shí)施例1

采用SiO₂作為襯底材料，將襯底材料經(jīng)過超聲波清洗處理后，通過傳樣品桿傳送入磁控濺射真空室中的樣品臺(tái)上；

將所需要的靶材放入磁控濺射真空室的靶位上；所述的靶材材料分別為純度≥99.999%的金屬材料X_、Y和Z；所述的金屬材料X為Co；所述的金屬材料Y為Mn，所述的金屬材料Z為Al；

抽真空至磁控濺射室的真空度≤2×10^-5Pa；

通過磁控共濺射在襯底材料表面制備哈斯勒合金薄膜，工作氣體為純度≥99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.01Pa，沉積速率為5nm/min，靶材到襯底材料的距離為20cm，濺射時(shí)間設(shè)定10 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Co₂MnAl，厚度為50nm，結(jié)構(gòu)如圖1所示，X-射線多晶衍射結(jié)果如圖2所示，磁化曲線如圖5所示，表面粗糙度曲線如圖6所示。

實(shí)施例2

采用SiO₂作為襯底材料，將襯底材料經(jīng)過超聲波清洗處理后，通過傳樣品桿傳送入磁控濺射真空室中的樣品臺(tái)上；

將所需要的靶材放入磁控濺射真空室的靶位上；所述的靶材材料分別為純度≥99.999%的金屬材料Cr、X、Y和Z；所述的金屬材料X為Co；所述的金屬材料Y為Mn，所述的金屬材料Z為Al；

抽真空至磁控濺射室的真空度≤2×10^-5Pa；

通過磁控濺射在襯底材料表面制備哈斯勒合金薄膜，工作氣體為純度≥99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.01Pa，沉積速率為5nm/min，靶材到襯底材料的距離為20cm，濺射時(shí)間2 min，在襯底材料表面制成Cr膜，厚度為10nm；

通過磁控共濺射在襯底材料表面制備哈斯勒合金薄膜，工作氣體為純度≥99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.01Pa，沉積速率為5nm/min，靶材到襯底材料的距離為20cm，濺射時(shí)間10 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Co₂MnAl，厚度為50nm，結(jié)構(gòu)如圖3所示，X-射線多晶衍射結(jié)果如圖4所示，磁化曲線如圖5所示，表面粗糙度曲線如圖6所示。

實(shí)施例3

方法同實(shí)施例1，不同點(diǎn)在于：

（1）金屬材料X為Ni；所述的金屬材料Y為Cr，所述的金屬材料Z為Si；

（2）濺射氣壓0.1Pa，沉積速率為6nm/min，靶材到襯底材料的距離為24cm，濺射時(shí)間設(shè)定8 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜,成分為Ni₂CrSi，厚度為48nm。

實(shí)施例4

方法同實(shí)施例1，不同點(diǎn)在于：

（1）金屬材料X為Cu；所述的金屬材料Y為Fe，所述的金屬材料Z為Ge；

（2）濺射氣壓0.2Pa，沉積速率為8nm/min，靶材到襯底材料的距離為28cm，濺射時(shí)間設(shè)定7min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Cu₂FeGe，厚度為56nm。

實(shí)施例5

方法同實(shí)施例2，不同點(diǎn)在于：

（1）金屬材料X為Ni；所述的金屬材料Y為Cr，所述的金屬材料Z為Si；

（2）濺射氣壓0.1Pa，沉積速率為6nm/min，靶材到襯底材料的距離為24cm，濺射時(shí)間1.5 min，在襯底材料表面制成Cr膜，厚度為9nm；

（3）濺射氣壓0.1Pa，沉積速率為6nm/min，靶材到襯底材料的距離為24cm，濺射時(shí)間8min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Ni₂CrSi，厚度為48nm。

實(shí)施例6

方法同實(shí)施例2，不同點(diǎn)在于：

（1）金屬材料X為Cu；所述的金屬材料Y為Fe，所述的金屬材料Z為Ge；

（2）濺射氣壓0.2Pa，沉積速率為8nm/min，靶材到襯底材料的距離為28cm，濺射時(shí)間1.5 min，在襯底材料表面制成Cr膜，厚度為12nm；

（3）濺射氣壓0.2Pa，沉積速率為8nm/min，靶材到襯底材料的距離為28cm，濺射時(shí)間7 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Cu₂FeGe，厚度為56nm。

實(shí)施例7

方法同實(shí)施例1，不同點(diǎn)在于：

（1）金屬材料X為Cu；所述的金屬材料Y為Mn，所述的金屬材料Z為B；

（2）濺射氣壓0.4Pa，沉積速率為10nm/min，靶材到襯底材料的距離為30cm，濺射時(shí)間設(shè)定5 min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Cu₂MnB，厚度為50nm。

實(shí)施例8

方法同實(shí)施例2，不同點(diǎn)在于：

（1）金屬材料X為Cu；所述的金屬材料Y為Fe，所述的金屬材料Z為B；

（2）濺射氣壓0.4Pa，沉積速率為10nm/min，靶材到襯底材料的距離為30cm，濺射時(shí)間1 min，在襯底材料表面制成Cr膜，厚度為10nm；

（3）濺射氣壓0.4Pa，沉積速率為10nm/min，靶材到襯底材料的距離為30cm，濺射時(shí)間5min，在襯底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分為Cu₂FeB，厚度為50nm。