一种采用原子层沉积法原位制备氧化物/金属铁磁性异质结的方法技术

本发明专利技术提供了一种采用原子层沉积法原位制备氧化物/金属铁磁性异质结的方法，该方法采用原子层沉积法，以二茂铁作为铁源，氧气作为氧源，在金属衬底上沉积四氧化三铁，通过原子层沉积系统将二茂铁与氧气交替通入原子层沉积系统的反应腔内，实现四氧化三铁在不同金属衬底上的沉积，进而构建出氧化物/金属铁磁性异质结。本方法制得的氧化物/金属铁磁性异质结具有成本低，薄膜成分和厚度精确可控，三维均匀保形好等优点，可作为磁电耦合调控的关键器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子薄膜材料与磁性薄膜材料器件领域，涉及一种采用原子层沉积法(ALD)原位制备氧化物/金属铁磁性异质结的方法。
技术介绍
随着科学技术的不断发展，电子产品的尺寸越来越小，而传统器件的存储密度和运行速度越来越接近其物理极限，这是因为传统的电子器件以电子的电荷作为信息载体，不考虑电子自旋。自旋电子学是研究电子的自旋极化输运特性而开发的电子器件为主要内容的一门学科，作为一门新兴学科，其发展还面临着诸多挑战。四氧化三铁(Fe3O4)是一种重要的3d过渡金属化合物，其电子的自旋极化率很高，是自旋电子学方面有可能实现产业化应用的材料之一。常见的四氧化三铁薄膜的生长方法包括有：脉冲激光沉积法(pulsed laser deposition，PLD)，激光分子束外延法(laser molecular beam epitaxy，LMBE)，磁控溅射(magnetron sputtering，包括射频磁控溅射，直流磁控溅射和励磁磁控溅射)和高能离子束蒸发(High-energy ion beam evaporation)等。这些方法均为高能量制备工艺，制备过程通常会将铁完全氧化成为三价的Fe2O3，然后在通过后续的氢气气氛的退火得到Fe3O4。由于这些方法或者在沉积过程或者在退火过程中会在高温下进行，使得对于在柔性聚合物基底制备Fe3O4薄膜不可能实现。另外随着对性能要求的不断提升，需要在三维结构(如纵深比很大的沟槽，3D鳍式结构等)表面制备厚度为几纳米的薄膜，而上述几种方法由于沉积原理的限制导致其无法在复杂三维结构表面制得厚度及组分高度可控的薄膜，从而阻碍了实际应用的实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种采用原子层沉积法原位制备氧化物/金属铁磁性异质结的方法，该方法通过对原子层沉积过程的精确控制，能够在不同金属衬底上沉积物相与厚度精确可控的磁性薄膜，可以用来大规模制备三维均匀保形的氧化物/金属铁磁性异质结。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种采用原子层沉积法原位制备氧化物/金属铁磁性异质结的方法，包括以下步骤：1)将金属衬底清洗干净后备用；2)以二茂铁作为铁源，氧气作为氧源，将二茂铁装入原子层沉积系统固态源钢瓶中并加热到135～150℃，将氧气通过管路连接到原子层沉积系统的反应腔中备用；3)将步骤1)清洗干净的金属衬底放入原子层沉积系统的反应腔中，将反应腔的温度升至300～400℃后保温，使金属衬底均匀受热；4)设置沉积参数：设置二茂铁源的载气高流量为50～150sccm，脉冲时间为0.2～1.5s，清洗时间为15～25s，二茂铁的载气低流量为20～50sccm，低流量载气持续时间为10～20s；设置氧气源的流量为100～200sccm，脉冲时间为1～5s，清洗时间为2～10s；设置管路的流量为150～250sccm，保证原子层沉积系统的反应腔中的压强维持在800～1500Pa；5)按照步骤4)设置的参数在金属衬底上进行循环沉积，得到氧化物/金属铁磁性异质结，并通过控制循环沉积的次数调控氧化物/金属铁磁性异质结的厚度；其中一次循环沉积为先进行一个氧气源脉冲，氧气源脉冲结束后清洗管路，然后进行一个二茂铁源脉冲，二茂铁源脉冲结束后清洗管路。所述的金属衬底包括Pt衬底、铁钴合金(FeCo)衬底和ITO衬底。所述步骤1)具体为：将金属衬底依次用丙酮、蒸馏水、异丙醇冲洗干净，然后用氮气吹干备用。沉积过程中以氮气作为二茂铁的载气，并且在开始沉积前先对装有二茂铁的原子层沉积系统固态源钢瓶进行预抽气处理，以排除其中的空气。所述步骤3)中的保温时间为0.5～1.5h。循环沉积过程中用氮气清洗管路。循环沉积的次数为300～1000次。制得的氧化物/金属铁磁性异质结包括Fe3O4/Pt异质结、Fe3O4/FeCo异质结和Fe3O4/ITO异质结，且Fe3O4具有铁磁性。相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的采用原子层沉积法原位制备氧化物/金属铁磁性异质结的方法，该方法采用原子层沉积法，以二茂铁作为铁源，氧气作为氧源，在金属衬底上沉积四氧化三铁，通过原子层沉积系统将二茂铁与氧气交替通入原子层沉积系统的反应腔内，实现四氧化三铁(Fe3O4)在不同金属衬底上的沉积，进而构建出氧化物/金属铁磁性异质结。原子层沉积法作为一种新型的薄膜制备手段，其沉积原理是反应源物质在基底表面通过吸附化学反应形成膜，反应特点是整个过程包括两个互补的和自限制性的半反应过程构成，是一种低能量的生长过程，这有利于实现在较低温度下制备四氧化三铁，从而实现在一些特殊衬底上的制备需要。由原子层沉积的原理可以知道，利用该方法可以在原子尺度上实现对制备薄膜厚度与组成的精确控制，在衬底上制备高质量的薄膜材料。因此原子层沉积是制备自旋电子学中的氧化物/金属异质结的一种理想方法。本专利技术通过对原子层沉积过程的精心设计和精确控制，实现了在不同金属衬底上沉积物相与厚度精确可控的磁性薄膜，从而得到氧化物/金属铁磁性异质结的目的。该方法可以用来大规模制备三维均匀保形的磁性异质结。本专利技术制得的氧化物/金属铁磁性异质结可作为磁电耦合调控的关键器件。本专利技术中的原料采用廉价易得、无毒，无污染的二茂铁与氧气作为前躯体源，整个反应过程在原子层沉积系统中一次性完成，制得的氧化物/金属铁磁性异质
结质量高度可控，且对环境无污染，是一种安全高效的生产模式。本方法制得的氧化物/金属铁磁性异质结具有成本低，薄膜成分和厚度精确可控，三维均匀保形好等优点。本专利技术制得的氧化物/金属铁磁性异质结通过拉曼光谱仪、场发射扫描电镜、透射电子显微镜、震动样品磁强计、电子顺磁共振波谱仪等先进测试仪器进行测试和分析，说明制得的氧化物/金属铁磁性异质结具有如下性质：1)通过原子层沉积在不同金属衬底上制得的薄膜为纯相的四氧化三铁Fe3O4。2)制得的Fe3O4薄膜表面光滑，厚度在单原子层级精确可控。3)制得的Fe3O4薄膜为铁磁性。4)制得的Fe3O4可实现磁电耦合调控。进一步的，本专利技术制得的氧化物/金属铁磁性异质结为Fe3O4/Pt异质结，Fe3O4/FeCo异质结或Fe3O4/ITO异质结；其中Fe3O4为四氧化三铁，是铁磁性氧化物，通过原子层沉积原位生长金属衬底上；Pt、FeCo、ITO为金属衬底，其中Pt为金属铂，FeCo为铁钴合金，ITO为导电玻璃。进一步的，本专利技术在沉积过程以高纯氮气作为载气，并使用高纯氮气清洗管路，而且在开始沉积前对二茂铁源钢瓶进行预抽气处理，以排除管路和二茂铁源中残余的空气，并且保证二茂铁源有充足的饱和蒸气压来保证脉冲的稳定，同时保证二茂铁不会在加热过程中被氧化分解。附图说明图1是本专利技术实施例1、2、3制得的氧化物/金属铁磁性异质结的拉曼图谱；图2是本专利技术实施例1制得的氧化物/金属铁磁性异质结的扫描电镜照片。图3是本专利技术实施例1制得的氧化物/金属铁磁性异质结的透射电子显微镜照片。图4是本专利技术实施例2，3制得的氧化物/金属铁磁性异质结的电子顺磁共振波谱图，其中(a)为实施例2制得的氧化物/金属铁磁性异质结的电子顺磁共振波谱图，(b)为实施例3制
得的氧化物/金属铁磁性异质结的电子顺磁共振波谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用原子层沉积法原位制备氧化物/金属铁磁性异质结的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将金属衬底清洗干净后备用；2)以二茂铁作为铁源，氧气作为氧源，将二茂铁装入原子层沉积系统固态源钢瓶中并加热到135～150℃，将氧气通过管路连接到原子层沉积系统的反应腔中备用；3)将步骤1)清洗干净的金属衬底放入原子层沉积系统的反应腔中，将反应腔的温度升至300～400℃后保温，使金属衬底均匀受热；4)设置沉积参数：设置二茂铁源的载气高流量为50～150sccm，脉冲时间为0.2～1.5s，清洗时间为15～25s，二茂铁的载气低流量为20～50sccm，低流量载气持续时间为10～20s；设置氧气源的流量为100～200sccm，脉冲时间为1～5s，清洗时间为2～10s；设置管路的流量为150～250sccm，保证原子层沉积系统的反应腔中的压强维持在800～1500Pa；5)按照步骤4)设置的参数在金属衬底上进行循环沉积，得到氧化物/金属铁磁性异质结，并通过控制循环沉积的次数调控氧化物/金属铁磁性异质结的厚度；其中一次循环沉积为先进行一个氧气源脉冲，氧气源脉冲结束后清洗管路，然后进行一个二茂铁源脉冲，二茂铁源脉冲结束后清洗管路。...

【技术特征摘要】
1.一种采用原子层沉积法原位制备氧化物/金属铁磁性异质结的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将金属衬底清洗干净后备用；2)以二茂铁作为铁源，氧气作为氧源，将二茂铁装入原子层沉积系统固态源钢瓶中并加热到135～150℃，将氧气通过管路连接到原子层沉积系统的反应腔中备用；3)将步骤1)清洗干净的金属衬底放入原子层沉积系统的反应腔中，将反应腔的温度升至300～400℃后保温，使金属衬底均匀受热；4)设置沉积参数：设置二茂铁源的载气高流量为50～150sccm，脉冲时间为0.2～1.5s，清洗时间为15～25s，二茂铁的载气低流量为20～50sccm，低流量载气持续时间为10～20s；设置氧气源的流量为100～200sccm，脉冲时间为1～5s，清洗时间为2～10s；设置管路的流量为150～250sccm，保证原子层沉积系统的反应腔中的压强维持在800～1500Pa；5)按照步骤4)设置的参数在金属衬底上进行循环沉积，得到氧化物/金属铁磁性异质结，并通过控制循环沉积的次数调控氧化物/金属铁磁性异质结的厚度；其中一次循环沉积为先进行一个氧气源脉冲，氧气源脉冲结束后清洗管路，然后进行一个二茂铁源脉冲，二茂铁源脉冲结束后清洗管路。2.根据权利要求1所述的采用原子层沉积法原位制备氧化物/金属铁磁性...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明，张乐，任巍，张易军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61