提高Co/Pt薄膜材料的自旋-轨道耦合强度的方法技术

提高Co/Pt薄膜材料的自旋-轨道耦合强度的方法，属于磁性材料领域。所述方法是：对钛镍TiNi记忆合金基片进行预拉伸处理、表面抛光以及表面的氩离子轰击处理；然后，在上述TiNi记忆合金基片上沉积[钴Co/铂Pt]n多层膜；沉积完毕后，在真空环境下对其进行两步热处理即低温处理和高温处理，引发基片的形状记忆效应，同时诱导晶化的Co/Pt多层膜在TiNi基片上的外延生长。最后，冷却至室温即可。此发明专利技术只需要采用廉价的形状记忆合金作为基片，在自旋电子学薄膜材料上产生均匀、可控的大弹性应力，可以有效地增加整个薄膜的自旋-轨道耦合强度；此方法不需要高成本的稀有金属或昂贵的附加装置，具有效率高、成本低、制备简单等优点，适合应用于未来自旋电子学技术中。

【技术实现步骤摘要】
提高Co/Pt薄膜材料的自旋-轨道耦合强度的方法
本专利技术属于磁性材料领域，涉及自旋电子学薄膜材料的制备方法，特别是提供了一种利用记忆合金基片的形状记忆效应，调控自旋电子学薄膜材料的电子结构即电子态密度分布，从而提高自旋电子学薄膜材料的自旋-轨道耦合强度的方法。
技术介绍
通过磁性材料中本征的自旋-轨道耦合作用，即电子的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用，可以简单地用外电场来实现对自旋的操控，并引发很多重要的物理效应如反常霍尔效应、自旋霍尔效应、磁近邻效应、自旋转移矩效应、磁结构的电场调控效应等。不仅如此，通过调节磁性薄膜材料的自旋-轨道耦合强度，可以调控自旋电子学材料的多种磁性能如垂直磁各向异性、反常霍尔效应等。因此，对磁性材料的自旋-轨道耦合强度的调控，一直是自旋电子学领域的焦点问题之一，具有非常重要的学术价值和实用价值。目前，人们可以通过多种方法可以调节材料中的自旋-轨道耦合强度。例如，在FePd合金中，通过掺杂重金属元素Pt替换Pd原子，可以增强FePd合金的自旋-轨道耦合强度，从而调控其反常霍尔效应和垂直磁各向异性[P.He,etal.Phys.Rev.Lett.109,066402(2012)；X.Ma,etal.Appl.Phys.Lett.104,192402(2014).]。然而，只有当掺杂原子和被替换原子具有类似的电子结构和原子尺寸，才能保证掺杂前后晶体结构的一致性，这大大限制了其适用性。在自旋场效应管(SFET)中，通过调节栅极门电压的大小可以调控Rashba自旋-轨道耦合强度，从而调节自旋相关输运性能[S.Datta,etal.Appl.Phys.Lett.56,665-667(1989)；J.Nitta,etal.Phys.Rev.Lett.78,1335-1338(1997).]。然而，这种调控行为建立在门电压持续存在的基础上，即属于“易失性”调控行为，在一定程度上会限制其在低功耗逻辑存储器件中的应用。因此，如何简单、普适且非易失性地调控自旋-轨道耦合强度以及相关磁性能，对于发展自旋电子学材料及其器件应用起到至关重要的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供了一种利用记忆合金基片的形状记忆效应，调控自旋电子学薄膜材料的电子结构即电子态密度分布，从而提高自旋电子学薄膜材料的自旋-轨道耦合强度的方法。一种提高Co/Pt薄膜材料的自旋-轨道耦合强度的方法，其特征为：在经过预拉伸、表面抛光处理和氩离子轰击处理的TiNi记忆合金基片上沉积[Co/Pt]n多层膜，沉积完毕后，对其进行热处理，引发形状记忆效应并产生界面弹性应力，最后，冷却至室温即可。该方法的具体过程为：(1)、对TiNi记忆合金基片进行预拉伸处理、表面抛光以及表面氩离子轰击处理，所述的TiNi记忆合金基片厚度为0.1～0.5毫米，预拉伸量为6％～15％，抛光后的表面粗糙度0.5～2纳米，氩离子轰击电流为5～15mA，轰击时间为1～4分钟；(2)、利用磁控溅射方法，在步骤(1)所述TiNi记忆合金基片上依次沉积Co原子和Pt原子，形成Co/Pt多层膜结构，所述的沉积过程中溅射室的本底真空度1×10-5～5×10-5Pa，溅射时氩气压为0.4～1.2Pa，沉积得到的Co原子层的厚度为Pt原子层的厚度为周期数n为3～7；(3)、在真空环境下，对TiNi记忆合金基片进行热处理，所述真空环境的真空度为2×10-5～5×10-5Pa，热处理过程分为低温处理和高温处理：低温处理的温度为80～120℃，保温时间为5～15分钟；高温处理的温度为200～300℃，保温时间为10～20分钟。最后，将TiNi记忆合金基片冷却到室温后即可。上述预拉伸处理、表面抛光以及表面的氩离子轰击处理的顺序优选依次进行预拉伸处理、表面抛光以及表面的氩离子轰击处理。本专利技术的原理在于：对TiNi记忆合金基片进行预拉伸处理，可以诱发其发生马氏体相变。当将其加热到80～120℃时，会发生由马氏体相向奥氏体相的转变过程，晶格点阵发生整体切变，产生形状回复和弹性应变。而将Co/Pt多层膜加热到200～300℃时，会发生晶化，并且能够在TiNi基底上实现晶格外延生长；同时，通过对TiNi记忆合金基片进行表面抛光和表面氩离子轰击，可以大大减小表面的粗糙程度，为Co/Pt薄膜在TiNi基底上的外延生长提供了很好的表面质量。而上述这种特殊的外延生长关系使得TiNi记忆合金基片产生的弹性应变全面地传递到Co/Pt多层膜界面处，并在Co/Pt多层膜界面处产生均匀、可控且非常大的弹性压缩应力。由于形状记忆合金基片是利用相变机制产生弹性应力，完全不同于普通金属基片或柔性基片通过位错滑移机制产生的不均匀、不可控的非弹性剪切应变，也不同于铁电基片通过电场控制偶极子分布所产生的易失性弹性应力(弹性应变<1％)。因此，形状记忆合金基片产生的弹性压缩应力可以很方便、很均匀、很显著地调节Co/Pt多层膜的电子结构即电子态密度分布，从而调节自旋电子在不同轨道上的占据状态和数目，进而大幅度提高Co/Pt多层膜材料的自旋-轨道耦合强度。本专利技术的有益效果在于：此专利技术只需要采用廉价的形状记忆合金作为基片，在每个晶粒上均匀地产生大弹性应力，调控每个晶粒的电子结构即电子态密度分布，因此可以有效地增加整个薄膜的自旋-轨道耦合强度；而且，此方法不需要高成本的稀有金属或昂贵的附加装置，因此具有效率高、成本低、制备简单等优点，适合应用于未来自旋电子学技术中。附图说明图1为未经过预拉伸、表面抛光、表面氩离子轰击、后续热处理的TiNi记忆合金基片/多层膜的电子态密度分布图(用于性能的比较)；图2为经过预拉伸、表面抛光、表面氩离子轰击以及热处理后的TiNi记忆合金基片/多层膜的电子态密度分布图，其中，基片厚度为0.1毫米，预拉伸量为6％；抛光后的表面粗糙度为0.5纳米；氩离子轰击电流5mA，轰击时间为1分钟；真空热处理过程为：低温处理的温度为80℃/5分钟，高温处理的温度为200℃/10分钟，真空度为2×10-5Pa；薄膜沉积过程中的仪器本底真空度1×10-5Pa，溅射时氩气压为0.4Pa；图3为经过预拉伸、表面抛光、表面氩离子轰击以及热处理后的TiNi记忆合金基片/多层膜的电子态密度分布图，其中，基片厚度为0.3毫米，预拉伸量为10％；抛光后的表面粗糙度为1纳米；氩离子轰击电流10mA，轰击时间为2.5分钟；真空热处理过程为：低温处理的温度为100℃/10分钟，高温处理的温度为250℃/15分钟，真空度为4×10-5Pa；薄膜沉积过程中的仪器本底真空度3×10-5Pa，溅射时氩气压为0.8Pa；图4为经过预拉伸、表面抛光、表面氩离子轰击以及热处理后的TiNi记忆合金基片/多层膜的电子态密度分布图，其中，基片厚度为0.5毫米，预拉伸量为15％；抛光后的表面粗糙度为2纳米；氩离子轰击电流15mA，轰击时间为4分钟；真空热处理过程为：低温处理的温度为120℃/10分钟，高温处理的温度为300℃/15分钟，真空度为5×10-5Pa；薄膜沉积过程中的仪器本底真空度5×10-5Pa，溅射时氩气压为1.2Pa；图5为图1～图4的各工艺下，薄膜的自旋-轨道耦合强度随形状记忆合金的预拉伸量的变化图。具体实施方式图1中样品的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高Co/Pt薄膜材料的自旋‑轨道耦合强度的方法，其特征为：在经过预拉伸、表面抛光处理和氩离子轰击处理的TiNi记忆合金基片上沉积[Co/Pt]n多层膜，沉积完毕后，对其进行热处理，引发形状记忆效应并产生界面弹性应力，最后，冷却至室温即可。

【技术特征摘要】
1.一种提高Co/Pt薄膜材料的自旋-轨道耦合强度的方法，其特征为：在经过预拉伸、表面抛光处理和氩离子轰击处理的TiNi记忆合金基片上沉积[Co/Pt]n多层膜，沉积完毕后，对其进行热处理，引发形状记忆效应并产生界面弹性应力，最后，冷却至室温即可；该方法的具体过程为：(1)、对TiNi记忆合金基片进行预拉伸处理、表面抛光以及表面氩离子轰击处理，所述的TiNi记忆合金基片厚度为0.1～0.5毫米，预拉伸量为6％～15％，抛光后的表面粗糙度0.5～2纳米，氩离子轰击电流为5～15mA，轰击时间为1～4分钟；(2)、利用磁控溅射方法，在步骤(1)所述TiNi记忆合金基片上依次沉积Co原子和Pt原子，形成Co/Pt多层膜结构，所述的沉积过程中溅射室的本底真空度1×10-5～5×10-5Pa，溅射时氩气压为0.4～1.2Pa，沉积得到的Co原子层的厚度为Pt原子层的厚度为周期数n为3～7；(3)、在真空环境下，对TiNi记忆合金基片进行热处理，所述真空环境的真空度为2×10-5～5×10-5Pa，热处理过程分为低温处理和高温处理：低温处理的温度为80～120℃，保温时间为5～15分钟；高温...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯春，赵建成，曹易，于广华，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11