本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域。具體涉及一種ti摻雜cro2外延薄膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，自旋電子學(xué)是國(guó)際凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)之一，引起了人們的廣泛的注意。作為最簡(jiǎn)單的鐵磁性半金屬氧化物cro2是傳統(tǒng)的磁記錄材料，cro2經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)具有接近100%的自旋極化率,而且cro2的居里溫度高達(dá)396k。因此，cro2被認(rèn)為是極具開發(fā)潛力的、理想的自旋電子器件的電極材料之一。

cro2雖然是一種磁性能良好且應(yīng)用廣泛的磁性材料，但常溫下處于亞穩(wěn)態(tài)，熱穩(wěn)定性差。目前最常用的是在o2的氛圍下制備cro2，但是其制備溫度只能是在390^oc附近，高于400^oc純的cro2材料就會(huì)開始分解，薄膜中開始出現(xiàn)cr2o3的雜相，低于380^oc時(shí)，氣氛里面的cro2無法在tio2基片上成膜或者成膜速率極其低下。專利號(hào)為“cn201410207290”名稱為一種sn摻雜cro2薄膜及其制備方法雖然也成功摻雜入了sn，提高了他的熱穩(wěn)定性，但是他并沒有擴(kuò)大制備溫度，而且薄膜的質(zhì)量略微降低，而且磁性能并沒有什么優(yōu)點(diǎn)。目前公開的方法都只是如何制備高純度cro2材料，尚未有向cro2材料摻入ti元素來改善其熱穩(wěn)定性的具體制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，目的是提供一種操作簡(jiǎn)單和能較快地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法，用該方法制備的ti摻雜cro2外延薄膜在cro2性能無較大變化的情況下使其熱穩(wěn)定性得到較大提高，從而使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法，包含以下步驟：

步驟一，將75~99.99份質(zhì)量的cro3和0.01~25份質(zhì)量的tif4混合均勻后裝入石英舟，再將所述石英舟放入雙溫管式爐的低溫區(qū)，將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以100~160ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入o2的條件下，將高溫區(qū)加熱至390℃~480℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時(shí)，對(duì)低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至310℃，再對(duì)高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫1.5~3h，即在tio2單晶基片上制得ti摻雜cro2外延薄膜。

上述制備方法中，所述的cro3為分析純物質(zhì)。

上述制備方法中，所述的tif4為分析純物質(zhì)。

一種ti摻雜cro2外延薄膜，所述ti摻雜cro2外延薄膜是根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法所制備的ti摻雜cro2外延薄膜。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下積極效果：

第一、本發(fā)明所采用的雙溫區(qū)管式爐在國(guó)內(nèi)較為成熟，其操作簡(jiǎn)單，常壓下便能生產(chǎn)，用其生產(chǎn)ti摻雜cro2外延薄膜可以較快的進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

第二、純的cro2材料在400℃以上便開始分解為cr2o3，380^oc以下在基片上無法成膜，而本發(fā)明的ti摻雜cro2外延薄膜在510℃仍能保持穩(wěn)定，大大提高了制備溫度區(qū)間上限，而且制備溫度區(qū)間為390^oc~480^oc，熱穩(wěn)定性得到了較大提高，和更多的一些高溫材料有溫度區(qū)間的重疊，能和更多的高溫材料相互耦合形成多層膜自旋器件，從而使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

第三、與純的cro2材料相比，本發(fā)明的ti摻雜cro2外延薄膜磁性能并無較大改變。

第四、摻雜進(jìn)去的ti原子能和cr原子實(shí)現(xiàn)反鐵磁耦合，從而能實(shí)現(xiàn)純樣所不能制作的特殊性能的自旋電子器件。

因此，本發(fā)明具有操作簡(jiǎn)單和能較快地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，用該方法制備的ti摻雜cro2外延薄膜在磁性能無較大變化的情況下熱穩(wěn)定性有了較大的提高。

附圖說明

圖1為ti摻雜cro2外延薄膜的xrd圖譜，a、b、c、d分別對(duì)應(yīng)實(shí)施例1、2、3、4制備的n摻雜cro2外延薄膜；

圖2為vsm圖和m-t曲線，（a）是標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2）的vsm圖，（b）是實(shí)施例2的ti摻雜cro2外延薄膜的vsm圖，（c）是實(shí)施例2的ti摻雜cro2外延薄膜的m-t曲線；

圖3為ti摻雜cro2外延薄膜經(jīng)退火處理后的xrd圖譜，a是標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2）薄膜435℃退火處理，b是實(shí)施例2制備的ti摻雜cro2外延薄膜經(jīng)435℃退火處理，c是實(shí)施例2制備的ti摻雜cro2外延薄膜經(jīng)530℃退火處理；

圖4為標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2）薄膜和ti摻雜cro2外延薄膜的sem圖譜對(duì)比，a是標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2）薄膜表面的sem圖片，b是實(shí)施例4的ti摻雜cro2外延薄膜表面sem圖譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，并非對(duì)其保護(hù)范圍是限制。

本具體實(shí)施方式所述的cro3和tif4為分析純物質(zhì)。

實(shí)施例1

一種ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法，本實(shí)施例所述制備方法包含以下步驟：

步驟一，將80份質(zhì)量的cro3和15份質(zhì)量的tif4混合均勻后裝入石英舟，再將所述石英舟放入雙溫管式爐的低溫區(qū)，將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以160ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入o2的條件下，將高溫區(qū)加熱至390℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時(shí)，對(duì)低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至310℃，再對(duì)高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫1h，石英舟中的cro3和tif4氣化并隨著o2氣流進(jìn)入高溫區(qū)，最后cro3氣相和tif4氣相反應(yīng)生成物質(zhì)在tio2單晶基片上沉積，即在tio2單晶基片上制得ti摻雜cro2外延薄膜。

實(shí)施例2

一種ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法，本實(shí)施例所述制備方法包含以下步驟：

步驟一，將80份質(zhì)量的cro3和15份質(zhì)量的tif4混合均勻后裝入石英舟，再將所述石英舟放入雙溫管式爐的低溫區(qū)，將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以160ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入o2的條件下，將高溫區(qū)加熱至430℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時(shí)，對(duì)低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至310℃，再對(duì)高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫1.5h，石英舟中的cro3和tif4氣化并隨著o2氣流進(jìn)入高溫區(qū)，最后cro3氣相和tif4氣相反應(yīng)生成物質(zhì)在tio2單晶基片上沉積，即在tio2單晶基片上制得ti摻雜cro2外延薄膜。

實(shí)施例3

一種ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法，本實(shí)施例所述制備方法包含以下步驟：

步驟一，將80份質(zhì)量的cro3和15份質(zhì)量的tif4混合均勻后裝入石英舟，再將所述石英舟放入雙溫管式爐的低溫區(qū)，將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以160ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入o2的條件下，將高溫區(qū)加熱至450℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時(shí)，對(duì)低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至310℃，再對(duì)高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫2h，石英舟中的cro3和tif4氣化并隨著o2氣流進(jìn)入高溫區(qū)，最后cro3氣相和tif4氣相反應(yīng)生成物質(zhì)在tio2單晶基片上沉積，即在tio2單晶基片上制得ti摻雜cro2外延薄膜。

實(shí)施例4

一種ti摻雜cro2外延薄膜的制備方法，本實(shí)施例所述制備方法包含以下步驟：

步驟一，將80份質(zhì)量的cro3和15份質(zhì)量的tif4混合均勻后裝入石英舟，再將所述石英舟放入雙溫管式爐的低溫區(qū)，將tio2單晶基片放入雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)；

步驟二，在以160ml/min的流速向管式爐內(nèi)持續(xù)通入o2的條件下，將高溫區(qū)加熱至480℃，開始保溫；

步驟三，在高溫區(qū)開始保溫時(shí)，對(duì)低溫區(qū)開始加熱，將低溫區(qū)加熱至310℃，再對(duì)高溫區(qū)和低溫區(qū)保溫2h，石英舟中的cro3和tif4氣化并隨著o2氣流進(jìn)入高溫區(qū)，最后cro3氣相和tif4氣相反應(yīng)生成物質(zhì)在tio2單晶基片上沉積，即在tio2單晶基片上制得ti摻雜cro2外延薄膜。

下面通過不同的表征方法對(duì)上述實(shí)施例作進(jìn)一步說明。

圖1為ti摻雜cro2外延薄膜的xrd圖譜，a、b、c、d分別對(duì)應(yīng)實(shí)施例1、2、3、4制備的n摻雜cro2外延薄膜，表明在390℃到480℃的溫度區(qū)間內(nèi)都可以長(zhǎng)出高質(zhì)量的外延單晶cro2薄膜。

圖2為vsm圖和m-t曲線，（a）是標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2）的vsm圖，（b）是實(shí)施例2的ti摻雜cro2外延薄膜的vsm圖，（c）是實(shí)施例2的ti摻雜cro2外延薄膜的m-t曲線，可以看到ti-cr之間出現(xiàn)了反鐵磁耦合。需要說明的是其他實(shí)施例的vsm圖和m-t曲線均表明ti-cr之間出現(xiàn)了反鐵磁耦合。

圖3為ti摻雜cro2外延薄膜經(jīng)退火處理后的xrd圖譜，a是標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2）薄膜435℃退火處理，衍射角2θ為36.5處明顯出現(xiàn)雜相的峰，b是實(shí)施例2制備的ti摻雜cro2外延薄膜經(jīng)435℃退火處理，并沒有出現(xiàn)雜相，c是實(shí)施例2制備的ti摻雜cro2外延薄膜經(jīng)530℃退火處理，衍射角2θ為36.5處才出現(xiàn)雜相，說明實(shí)施例2制備的ti摻雜cro2外延薄膜的熱穩(wěn)定性得到大幅度提高。需要說明的是其他實(shí)施例經(jīng)退火處理后的xrd圖譜均表明ti摻雜cro2外延薄膜的熱穩(wěn)定性得到大幅度提高。

圖4為標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2）薄膜和ti摻雜cro2外延薄膜的sem圖譜對(duì)比，a是標(biāo)準(zhǔn)樣（純cro2）薄膜表面的sem圖片，b是實(shí)施例4的ti摻雜cro2外延薄膜表面sem圖譜，可以明顯看到樣品表面粗糙度降低，質(zhì)量得到提高。需要說明的是其他實(shí)施例的sem圖譜均表明樣品表面粗糙度與標(biāo)準(zhǔn)樣相比降低。