具有超大垂直矫顽力铁磁单晶薄膜的制备方法

摘要

一种具有超大垂直矫顽力铁磁单晶薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1：将衬底放入分子束外延设备样品架；步骤2：将衬底升至一预定温度，保持该温度一预定时间；步骤3：将衬底的温度降低至一预定温度，再利用分子束外延技术在衬底上生长缓冲层；步骤4：将衬底的降温至一预定温度，利用分子束外延技术在缓冲层上生长铁磁薄膜层。通过以上方法制备的具有超大垂直矫顽力铁磁单晶薄膜，其具有超大矫顽力、超高垂直磁各向异性和超高磁能积，同时具有工艺简单、易于集成、且不含贵金属又不含稀土元素等优点。

权利要求

1.一种具有超大垂直矫顽力铁磁单晶薄膜的制备方法，包括如下步骤: 步骤1:将衬底放入分子束外延设备样品架，该衬底的材料为GaAs; 步骤2:将衬底的温度升至560-800℃，保持该温度的时间不少于1分钟; 步骤3:将衬底的温度降低至500-760℃，再利用分子束外延技术在衬底上生长缓冲层，该缓冲层的材料为GaAs;

步骤4:将衬底的降温至20℃至450℃，利用分子束外延技术在缓冲层上生长铁磁薄膜层，该铁磁薄膜层的材料为MnGa，完成具有超大垂直矫顽力铁磁单晶薄膜的制备。

说明书

具有超大垂直矫顽力铁磁单晶薄膜的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超高密度磁光存储、磁性存储，高灵敏度磁性传感器和高性能永磁体等技术领域，特别是指一种具有超大垂直矫顽力铁磁单晶薄膜的制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，信息技术发展突飞猛进，对信息存储密度和存储速度的要求不断增加。为进一步提高磁光盘、磁盘等的记录密度，记录介质中磁性单元尺寸必须减小到10nm以内，而在这样小尺寸下，传统的水平记录模式遇到了无法克服的极限——由于热扰动导致的超顺磁效应。为了克服这一极限，必须采用基于高垂直磁各向异性能新材料的垂直记录模式来提高热稳定性。同时为了提高信噪比，减少相邻比特、磁盘中永磁体和其它各种外界电磁噪声干扰，亟需存储介质要具有较高的矫顽力。

[0003] 另一方面，基于磁电阻效应的自旋阀和磁隧道结等为代表的自旋电子学研究迅速崛起，提供了通过控制电子自旋或者同时利用电子的电荷和自旋两个自由度来进行信息存储和处理的新思路。目前自旋阀效应在硬盘读头等方面已经有了成功应用。相比传统半导体器件，利用垂直易磁化材料设计的自旋电子学器件，包括磁随机存储器、硬盘读头、磁场探测器等，具有小尺寸(10nm以下)，超高集成密度，超高速、低功耗、超高空间分辨率(nm级)，超高磁场分辨率(理论上可以达到10-12T)等优点。磁随机存储器有望取代目前硅基CMOS内存技术，成为下一代计算机核心技术。磁传感器广泛应用于磁场、位移、转角、流量等信息的测量，服务于汽车、航空、医疗、监测、探矿、自动化、信息技术、安全检测、全球卫星定位等诸多领域。因此，利用高磁各向异性材料设计的高性能器件具有广泛的应用前景和巨大的商业价值。

[0004] 稀土族永磁体，因其高的磁能积和强磁性得到广泛应用，成为很多现代产品的骨骼，包括计算机、移动电话、电动汽车、风力发电机等。然而，稀土元素的储量非常有限，开采和加工成本昂贵，因此人们迫切需要寻找到不含稀土元素，也不含贵金属元素的高性能永磁体，以便取代目前广泛使用的稀土磁体。

[0005] 无论超高密度的磁光存储、磁性存储、磁性随机存储器、磁场传感器，还是高性能永磁体，都需要找到合适的高垂直磁各向异性能的新材料。截止目前，还没有报道一种垂直易磁化材料能够同时具备具有超大矫顽力、超高垂直磁各向异性和超高磁能积的铁磁薄膜、兼容目前已经非常成熟的半导体工艺、易于集成、既不含贵金属又不含稀土元素等优点。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种具有超大垂直矫顽力铁磁单晶薄膜的制备方法，其是具有超大矫顽力、超高垂直磁各向异性和超高磁能积的铁磁薄膜，同时具有工艺简单、易于集成、且不含贵金属又不含稀土元素等优点。

[0007] 本发明提供一种具有超大垂直矫顽力铁磁单晶薄膜的制备方法，包括如下步骤：

[0008] 步骤1：将衬底放入分子束外延设备样品架；

[0009] 步骤2：将衬底升至一预定温度，保持该温度一预定时间；

[0010] 步骤3：将衬底的温度降低至一预定温度，再利用分子束外延技术在衬底上生长缓冲层；

[0011] 步骤4：将衬底的降温至一预定温度，利用分子束外延技术在缓冲层上生长铁磁薄膜层，完成具有超大垂直矫顽力铁磁单晶薄膜的制备。

[0012] 其中所述衬底的材料为GaAs。

[0013] 其中衬底升温的温度为560-800℃，保持时间不少于1分钟.

[0014] 其中步骤3中衬底降温的温度为500-760℃。

[0015] 其中缓冲层的材料为GaAs。

[0016] 其中步骤4中衬底降温的温度为20℃至450℃。

[0017] 其中铁磁薄膜层的材料为MnGa。

[0018] 本发明的有益效果是，利用本发明的制备方法制备的铁磁薄膜具有非常优越的室温铁磁性能，包括最高可达43kOe的超大室温矫顽力，且可以通过控制生长条件在5至43kOe之间方便地进行调控；超高的垂直磁各向异性，最大值达到22.9Merg/cc；超高的磁能积，最大可高达35.4MGOe，甚至超过通常的稀土永磁体的磁能积；极高的剩磁比，超过
0.94，在垂直磁存储和磁性随机存储器等领域有广泛的应用前景。此外，由于利用本发明制备的铁磁薄膜是在半导体衬底上生长的，所以利用该发明制备的铁磁薄膜设计制备的各类器件结构都与目前已经非常成熟的半导体工艺兼容。

附图说明

[0019] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图，通过对具体实例的详尽描述对本发明的技术方案做进一步的说明，其中：

[0020] 图1是利用本发明制备的样品结构示意图；

[0021] 图2是不同的衬底1温度下生长的铁磁薄膜层3在300K时的磁滞回线图；

[0022] 图3是不同的衬底1温度下生长的铁磁薄膜层3的矫顽力(a)、磁各向异性(b)、磁能积(c)和剩磁比(d)的曲线图。

具体实施方式

[0023] 请参阅图1所示，本发明是一种超大矫顽力和超高垂直各向异性铁磁材料的制备方法，包括如下步骤：

[0024] 步骤1：将衬底1放入分子束外延设备样品架，所述衬底1的材料为GaAs。

[0025] 步骤2：将衬底1升至一预定温度，保持该温度一预定时间，所述衬底1升温的温度为560-800℃，保持该温度的时间不少于1分钟.

[0026] 步骤3：将衬底1的温度降低至一预定温度，再利用分子束外延技术在衬底1上生长缓冲层2，从反射式高能电子衍射设备中可以看到所生长的生长缓冲层2为高质量单晶。所述的衬底1降温的温度为500-760℃，缓冲层2的材料为GaAs。

[0027] 步骤4：将衬底1的降低至一预定温度，利用分子束外延技术在缓冲层2上生长铁磁薄膜层3，完成具有超大垂直矫顽力铁磁单晶薄膜的制备。从反射式高能电子衍射可以看到在缓冲层2上生长铁磁薄膜层3为高质量单晶。所述的衬底1降温的温度为20℃至450℃，通过控制该温度的大小，可以直接调控铁磁薄膜层3的铁磁性能，包括矫顽力，垂直磁各向异性，磁能积，剩磁比等。铁磁薄膜层3的材料为MnGa，Mn和Ga的原子组分比从0.6∶1至3.5∶1均可以制备出具备这类性质的铁磁薄膜层3。

[0028] 图2和图3代表性地给出了衬底1在100℃至300℃温度区间生长的铁磁薄膜层3的分析结果，图3中不同的衬底1温度下生长的铁磁薄膜层3的矫顽力(a)、磁各向异性能(b)、磁能积(c)和剩磁比(d)，表明利用该发明方法制备的铁磁薄膜层3，即MnGa薄膜，具有非常优异的室温铁磁性能，包括最高可达43kOe的超大矫顽力，且可以通过控制生长条件在5至43kOe之间方便地进行调控；超高的垂直磁各向异性，最大值达到22.9Merg/cc；超高的磁能积，最大可高达35.4MGOe，甚至超过通常的稀土永磁体的磁能积；极高的剩磁比，超过0.94，在垂直磁存储和磁性随机存储器等领域有广泛的应用前景。

[0029] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了较详细具体的说明，所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神、思想和原则范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。