耐高溫多鐵性氮化鋁薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，涉及一種耐高溫多鐵性氮化鋁薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，信息電子領(lǐng)域快速發(fā)展使得人們致力材料多功能化發(fā)展，以快速存儲(chǔ)、處理海量信息，多鐵材料是其中大家關(guān)注的之一。然而目前所發(fā)現(xiàn)的單相多鐵材料居里溫度低，耐高溫能力差，迫切需要尋找居里溫度高、工作溫度高的新材料。目前文獻(xiàn)已報(bào)導(dǎo)具有鐵磁性，或者高壓電性的氮化鋁材料，但未有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)氮化鋁同時(shí)具有鐵電、鐵磁特性，且鐵電和鐵磁居里溫度達(dá)到450攝氏度，通過電場(chǎng)可以調(diào)制磁性，也可通過磁場(chǎng)調(diào)控鐵電性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種耐高溫多鐵性氮化鋁薄膜及其制備方法。
[0004]本發(fā)明提供的摻雜氮化鋁材料，其分子式為Α1χ (ΑΛ y) i XNZ ；
[0005]其中，x代表A1的摩爾分?jǐn)?shù)，為0.85-0.95 ；
[0006]y 為 0.45-0.8 ；
[0007]所述A和B為如下組合a至c中的任意一種:
[0008]組合a為:A代表Cr元素；B代表Ta元素；
[0009]組合b為:A代表Mg兀素；B代表Ca兀素；
[0010]組合c為:A代表Sc元素；B代表Y元素；
[0011]ζ代表氮的摩爾分?jǐn)?shù)，為1。
[0012]具體的，所述X為0.87或0.95 ;
[0013]y 為 0.5-0.8;
[0014]所述材料的居里溫度高于450°C，具體為456-462°C，更具體為456°C、453°C或462。。；
[0015]所述材料為薄膜材料，厚度為150nm ;
[0016]所述材料具體為Al0.87Cr0.08Ta0.05N、Al0.95 (Mg0.5Ca0.5) 0.05N 或 Al0.95 (Mg0.5Ca0.5) 0.05No
[0017]上述材料亦為按照如下方法制備而得的產(chǎn)品。
[0018]本發(fā)明提供的制備所述摻雜氮化鋁材料的方法，為如下方法一或方法二 ；
[0019]其中，方法一包括如下步驟:
[0020]在A1靶上按照前述配比放置金屬Cr和Ta，采用磁控濺射的方法在襯底上沉積薄膜，同時(shí)進(jìn)行Ar離子束轟擊，沉積完畢后再恢復(fù)至常壓退火，在退火的同時(shí)在沉積所得材料的表面和襯底背面之間施加電壓，退火完畢得到本發(fā)明提供的含有Al、Cr、Ta和N元素的摻雜氮化鋁材料。
[0021]方法二包括如下步驟:
[0022]將金屬Al、Mg、Ca或Al、Sc、Y按照前述配比制得靶材后，采用磁控濺射的方法在襯底上沉積薄膜，同時(shí)進(jìn)行Ar離子束轟擊，再恢復(fù)至常壓退火，在退火的同時(shí)在沉積所得材料的表面和襯底背面之間施加電壓，退火完畢得到本發(fā)明提供的含有Al、Mg、Ca和N元素或含有Al、Sc、Y和N元素的摻雜氮化鋁材料。
[0023]構(gòu)成所述襯底的材料為Pt/Si02/Si ；
[0024]所述方法一的沉積步驟中，濺射的功率為200W ；
[0025]沉積的方向?yàn)橐r底的(002)面；
[0026]沉積的溫度為450-600°C，具體為550°C ；
[0027]沉積氣氛為由氮?dú)夂蜌鍤饨M成的混合氣氛；其中，氮?dú)夂蜌鍤獾姆謮罕葹?:3 ；
[0028]真空度為0.3-100Pa ；
[0029]所述氬離子束轟擊步驟中，氬離子束的能量為0.1-5000電子伏特，具體為1000電子伏特；
[0030]離子束的轟擊劑量為1 X 108/cm2至5X 1012/cm2 ；
[0031]氬離子束轟擊的方向?yàn)榕c襯底的(002)面成45°的方向；
[0032]所述退火步驟中，溫度為600-700°C，時(shí)間為1_10小時(shí)，具體為1.2小時(shí)；
[0033]所述電壓為100V或-100V。
[0034]所述方法二的沉積步驟中，濺射的功率為200W ；
[0035]沉積的方向?yàn)橐r底的(002)面；
[0036]沉積的溫度為450-600°C，具體為550°C ；
[0037]沉積氣氛為由氮?dú)夂蜌鍤饨M成的混合氣氛；其中，氮?dú)夂蜌鍤獾姆謮罕葹?:3 ；
[0038]真空度為0.3-100Pa ；
[0039]所述氬離子束轟擊步驟中，氬離子束的能量為0.1-5000電子伏特，具體為1000電子伏特；
[0040]離子束的轟擊劑量為IX 108/cm2至5X 1012/cm2 ；
[0041]氬離子束轟擊的方向?yàn)榕c襯底的(002)面成45°的方向；
[0042]所述退火步驟中，溫度為600-700°C，時(shí)間為1_10小時(shí)，具體為1.2小時(shí)；
[0043]所述電壓為100V或-100V。
[0044]另外，上述本發(fā)明提供的摻雜氮化鋁材料在制備多鐵材料中的應(yīng)用及含有該摻雜氮化鋁材料的材料，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0045]本發(fā)明制備的氮化鋁同時(shí)具有鐵電、鐵磁特性，且鐵電和鐵磁居里溫度達(dá)到450攝氏度，通過電場(chǎng)可以調(diào)制磁性，也可通過磁場(chǎng)調(diào)控鐵電性。
【具體實(shí)施方式】
[0046]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法。所述原材料如無特別說明均能從公開商業(yè)途徑而得。
[0047]下述實(shí)施例所得摻雜氮化鋁材料在測(cè)試鐵磁性時(shí)，在薄膜兩面通過電極施加±0.5至±100V的電壓，可調(diào)制最大磁化強(qiáng)度在±150%范圍變動(dòng)；
[0048]測(cè)試鐵電性時(shí)，在薄膜面內(nèi)施加±2特斯拉的磁場(chǎng)，可調(diào)節(jié)電極化強(qiáng)度在±120%范圍變動(dòng)。
[0049]實(shí)施例1、
[0050]在高純A1靶上放置條形Cr和Ta (摩爾比為1:1)，在氮?dú)夂蜌鍤鈿夥諡?.3Pa (分壓比為1:3)下采用射頻磁控濺射在襯底Pt/Si02/Si上沉積薄膜，濺射功率為200W，沉積溫度550°C，沉積的方向?yàn)橐r底Pt/Si02/Si的(002)面，同時(shí)進(jìn)行Ar離子束轟擊，轟擊的方向?yàn)榕c襯底Pt/Si02/Si的(002)面方向成45°，轟擊能量為1000電子伏特，離子束轟擊劑量為1 X 108/cm2,再恢復(fù)至常壓進(jìn)行于700°C退火1.2小時(shí)，并在沉積所得材料的表面和襯底背面之間施加100V或-100V電壓，退火完畢得到本發(fā)明提供的摻雜氮化鋁材料。
[0051]該摻雜氮化鋁材料的分子式為AlQ.S7CrQ.QSTaaQ5N，薄膜的厚度為150nm ；
[0052]采用SQUID和VSM測(cè)試得知，該材料的居里溫度為456°C。
[0053]實(shí)施例2、
[0054]將純度達(dá)到5個(gè)9的Al，Mg，Ca粉按A1Q.91 (Mg0.5Ca0.5)0.09的比例進(jìn)行混合，燒結(jié)成靶材后，在氮?dú)夂蜌鍤鈿夥諡?.3Pa(分壓比為1:3)下采用磁控濺射在襯底Pt/Si02/Si上沉積薄膜，濺射功率為200W，沉積溫度550°C，沉積的方向?yàn)橐r底Pt/Si02/Si的(002)面，同時(shí)進(jìn)行Ar離子束轟擊，轟擊的方向?yàn)榕c襯底Pt/Si02/Si的(002)面方向成45°，轟擊能量為1000電子伏特，離子束轟擊劑量為lX10s/cm2，再恢復(fù)至常壓于700°C退火1.2小時(shí)，并在沉積所得材料的表面和襯底背面之間施加100V或-100V電壓，退火完畢得到本發(fā)明提供的摻雜氮化鋁材料。
[0055]該摻雜氮化招材料的分子式為AlQ.95(MgQ.5CaQ.5)aQ5N,薄膜的厚度為150nm ；
[0056]采用SQUID和VSM測(cè)試得知，該材料的居里溫度為453°C。
[0057]實(shí)施例3、
[0058]將純度達(dá)到5個(gè)9的Al，Sc，Y粉按A1Q.S5(ScQ.5YQ.5)a 15的比例進(jìn)行混合，燒結(jié)成靶材后，在氮?dú)夂蜌鍤鈿夥諡?.3Pa(分壓比為1:3)下采用磁控濺射在襯底Pt/Si02/Si上沉積薄膜，濺射功率為200W，沉積溫度550°C，沉積的方向?yàn)橐r底Pt/Si02/Si的(002)面為外延面，同時(shí)進(jìn)行Ar離子束轟擊，轟擊的方向?yàn)榕c襯底Pt/Si02/Si的(002)面方向成45°的方向，轟擊能量為1000電子伏特，離子束轟擊劑量為lX10s/cm2，再恢復(fù)至常壓于700°C退火1.2小時(shí)，并在沉積所得材料的表面和襯底背面之間施加100V或-100V電壓，退火完畢得到本發(fā)明提供的摻雜氮化鋁材料。
[0059]該摻雜氮化招材料的分子式為AlQ.95(MgQ.5CaQ.5)aQ5N,薄膜的厚度為150nm ；
[0060]采用SQUID和VSM測(cè)試得知，該材料的居里溫度為462°C。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種摻雜氮化鋁材料，其分子式為Α1χ (ΑΛ y)! XNZ ； 其中，x代表A1的摩爾分?jǐn)?shù)，為0.85-0.95 ； y 為 0.45-0.8 ； 所述A和B為如下組合a至c中的任意一種: 組合a為:A代表Cr元素；B代表Ta元素； 組合b為:A代表Mg兀素；B代表Ca兀素； 組合c為:A代表Sc元素；B代表Y元素； ζ代表氮的摩爾分?jǐn)?shù)，為1。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于:所述X為0.87或0.95 ; y 為 0.5-0.8 ； 所述材料的居里溫度高于450°C，具體為456-462°C，更具體為456°C、453°C或462°C ； 所述材料為薄膜材料，厚度為150nm; 所述材料具體為 Al0.87Cr0.08Ta0.05N、Al0.95 (Mg0.5Ca0.5) 0.05N 或 Al0.95 (Mg。.5Caa 5)。.05N。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的材料，其特征在于:所述材料為按照權(quán)利要求4-7任一所述方法制備而得。4.一種制備權(quán)利要求1或2任一所述摻雜氮化招材料的方法,為如下方法一或方法--， 其中，方法一包括如下步驟: 在A1靶上按照權(quán)利要求1所述配比放置金屬Cr和Ta，采用磁控濺射的方法在襯底上沉積薄膜，同時(shí)進(jìn)行Ar離子束轟擊，沉積完畢后再恢復(fù)至常壓退火，在退火的同時(shí)在沉積所得材料的表面和襯底背面之間施加電壓，退火完畢得到含有Al、Cr、Ta和N元素的摻雜氮化鋁材料。 方法二包括如下步驟: 將金屬Al、Mg、Ca或Al、Sc、Y按照權(quán)利要求1所述配比制得靶材后，采用磁控濺射的方法在襯底上沉積薄膜，同時(shí)進(jìn)行Ar離子束轟擊，再恢復(fù)至常壓退火，在退火的同時(shí)在沉積所得材料的表面和襯底背面之間施加電壓，退火完畢得到含有Al、Mg、Ca和N元素或含有Al、Sc、Y和N元素的摻雜氮化鋁材料。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:構(gòu)成所述襯底的材料為Pt/Si02/Si。6.根據(jù)權(quán)利要求4-5任一所述的方法，其特征在于:所述方法一的沉積步驟中，磁控濺射的功率為200W ； 沉積的方向?yàn)橐r底的(002)面； 沉積的溫度為450-600°C，具體為550°C ； 沉積氣氛為由氮?dú)夂蜌鍤饨M成的混合氣氛；其中，氮?dú)夂蜌鍤獾姆謮罕葹?:3 ； 真空度為0.3-100Pa ； 所述氬離子束轟擊步驟中，氬離子束的能量為0.1-5000電子伏特，具體為1000電子伏特； 離子束的轟擊劑量為IX 10s/cm2至5X 1012/cm2 ； 氬離子束轟擊的方向?yàn)榕c襯底的(002)面成45°的方向； 所述退火步驟中，溫度為600-700°C，時(shí)間為1-10小時(shí)，具體為1.2小時(shí)； 所述電壓為100V或-100V。7.根據(jù)權(quán)利要求4-6任一所述的方法，其特征在于:所述方法二的沉積步驟中，磁控濺射的功率為200W ； 沉積的方向?yàn)橐r底的(002)面； 沉積的溫度為450-600°C，具體為550°C ； 沉積氣氛為由氮?dú)夂蜌鍤饨M成的混合氣氛；其中，氮?dú)夂蜌鍤獾姆謮罕葹?:3 ； 真空度為0.3-100Pa ； 所述氬離子束轟擊步驟中，氬離子束的能量為0.1-5000電子伏特，具體為1000電子伏特； 離子束的轟擊劑量為IX 10s/cm2至5X 1012/cm2 ； 氬離子束轟擊的方向?yàn)榕c襯底的(002)面成45°的方向； 所述退火步驟中，溫度為600-700°C，時(shí)間為1-10小時(shí)，具體為1.2小時(shí)； 所述電壓為100V或-100V。8.權(quán)利要求1-3任一所述摻雜氮化鋁材料在制備多鐵材料中的應(yīng)用。9.含有權(quán)利要求1-3任一所述摻雜氮化鋁材料的材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種耐高溫多鐵性氮化鋁薄膜及其制備方法。該材料的分子式為Alx(AyB1-y)1-xNz；其中，x代表Al的摩爾分?jǐn)?shù)，取值為0.85～0.95；y為0.45～0.8。本發(fā)明制備的氮化鋁同時(shí)具有鐵電、鐵磁特性，且鐵電和鐵磁居里溫度達(dá)到450攝氏度，通過電場(chǎng)可以調(diào)制磁性，也可通過磁場(chǎng)調(diào)控鐵電性。
【IPC分類】C23C14/35, C23C14/06, C23C14/58, C01F7/00
【公開號(hào)】CN105483629
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410479805
【發(fā)明人】曾飛, 劉宏燕, 王光月, 潘峰
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2014年9月18日