梯度界面应力调控下掺杂钛酸锶薄膜磁敏材料的制备方法技术

一种梯度界面应力调控下掺杂钛酸锶薄膜磁敏材料的制备方法，属于电子功能材料与器件以及薄膜材料生长领域。本发明专利技术通过构建掺杂钛酸锶薄膜材料与衬底间的梯度应力场与界面极化场触发材料输运中的强关联效应，以实现对所生长掺杂钛酸锶薄膜材料磁阻系数的大幅提高。精准控制等离子体性质、薄膜与衬底间晶格失配度、薄膜与衬底材料组分，从而实现对掺杂型钛酸锶薄膜材料与衬底间的界面应力梯度场与界面极化场的优化设计与控制，是实现磁阻大幅提高的必要条件。本发明专利技术所获得的一种处于梯度应力场作用下的掺杂钛酸锶磁场敏感材料，可应用于进一步制备磁场探测、磁传感等电子器件方面。

The preparation method of doped strontium titanate thin film magnetic sensitive material under gradient interface stress control

【技术实现步骤摘要】
梯度界面应力调控下掺杂钛酸锶薄膜磁敏材料的制备方法
本专利技术属于电子功能材料与器件以及薄膜材料生长领域，具体地涉及一种处于梯度应力场作用下的掺杂钛酸锶磁场敏感薄膜材料的制备方法。本专利对发展有别于传统霍尔器件以及磁敏电阻器件的新体系磁场敏感器件具有重要意义与价值，所制备磁敏器件可实现磁场探测与传感等方面的应用。
技术介绍
发展新一代磁场敏感材料并实现对不同范围内的磁场进行探测，对于冶金、无损探伤、自动化控制、医疗器械、汽车工业、防伪技术、石油机械、家用电器、航空航天以及军事工业等诸多方面均具有重要的应用价值【1-14】。在磁场作用下，磁敏电阻的电阻值比未加磁场时发生明显的变化，其主要包括以下两类技术：1)基于霍尔效应的半导体型磁敏电阻【2，8，9】；2)AMR、GMR等磁阻传感器【8，9，11-14】。其中，霍尔传感器因其具有体积小、频率响应宽、输出电压变化大、结构简单、使用寿命长等优点，被广泛应用在信息技术、测量、自动化等方面【2】。霍尔传感器主要利用了硅、锑化铟等半导体材料在磁场下的霍尔效应。例如，基于硅材料的霍尔传感器可实现范围在101-103高斯的磁场探测【2,8】，而基于锑化铟材料的霍尔传感器可实现10-3-103高斯的磁场探测【9】。霍尔传感器的功耗在10-1W，其使用的工作温度在-100到100摄氏度之间，工作频率在0-1MHz之间【2】。而磁阻传感器主要利用一些材料的电阻阻值在磁场下的变化关系，主要包括AMR和GMR等传感器【8,9,11-14】。其中，AMR材料主要包括铁磁介质等，其主要利用材料电阻与磁化和电流方向之间的角度关系实现对磁场的探测；其探测灵敏范围在10-2-50高斯，探测频率在0-1GHz，功耗在0.1-0.5mW，温度-55到200摄氏度，具有体积小、质量轻等特点，在电子罗盘、地磁场探测、导航系统等方面发挥着重要作用【13,14】。GMR传感器由铁磁层与抗磁层交替排列构成，其电阻变量在10-60％之间，其探测磁场范围在10-3至104高斯间，具有灵敏度高、能耗低、稳定性好等优势，被应用于精密位移测量、导弹导航、速度控制等方面【8,9,11,12】。然而不可否认的是，现有磁电阻敏感材料及磁场探测在某些特定方面仍然具有其局限性。例如，AMR传感器的饱和磁场强度在几十高斯，且探测灵敏度随着功耗的降低而减小；制备GMR的铁磁和抗铁磁层对工艺要求较高，且在1特斯拉以上的大磁场会使传感器发生破坏【2，8，9，11-14】。因此，进一步发展有别于传统霍尔器件以及磁敏电阻器件的新体系磁场敏感材料具有重要的科学意义与应用价值。参考文献：【1】李亮，等，新型霍尔传感器在电流检测中的应用，仪表技术与传感器，2005，4，3【2】D.Niarchos,SensorsandActuatorsA,2003,109,166【3】A.L.Herrera-May,etal,Sensors,2009,9,7785【4】王怀光，等，磁通门传感器在车辆导航系统中的应用研究，传感器技术，2005，24，19【5】S.Kawahito,etal,Solid-StateSensorsandActuatorsEurosensors,1995,X290-A12【6】Y.Wang,etal,MicrosystemTechnology,2009,15,89【7】J.W.Wilson,Sens.ActiatorsA,2006,135,381【8】J.E.Lenz,ProceedingoftheIEEE,1990,78,973【9】J.Lenz,etal,IEEESensorJournal,2006,6,631【10】杜广涛，等，仪器仪表学报，2010，30，1534【11】钱正洪，等，仪表技术与传感器，2009，96【12】D.J.Mapps,SensorandActuatorsA:Physics,1997,59,9【13】T.R.Mcguire,IEEE,Tran.Magn.,1975,11,1018【14】都有为，自然杂志，1986，18，73
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种通过构建掺杂钛酸锶与氧化物单晶衬底间的逐渐松弛的梯度界面应力场以及界面极化场，大幅提高掺杂钛酸锶薄膜材料的磁敏电阻系数的方法，并最终获得一种处于梯度应力场作用下的掺杂钛酸锶磁场敏感材料。本专利技术的主要构思在于，通过掺杂钛酸锶薄膜在具有钙钛矿结构的氧化物衬底材料表面的共格生长,构建由晶格失配而产生的呈现沿薄膜生长方向逐渐松弛的界面应力场，以及由于元素化合价态在界面处非连续变化所产生的界面极化场，并通过以上两个方面或两个方面之一来触发材料中的强关联效应从而实现对掺杂钛酸锶薄膜材料磁敏电阻系数的大幅度提高。一种梯度界面应力调控下掺杂钛酸锶薄膜磁敏材料的制备方法，其特征在于，通过构建掺杂钛酸锶与氧化物单晶衬底间的逐渐松弛的梯度界面应力场以及界面极化场，大幅提高掺杂钛酸锶薄膜材料磁阻(Magnetoresistance)的方法，并最终获得一种处于梯度应力场作用下的掺杂钛酸锶磁场敏感材料；所获得的具有磁场敏感特性的掺杂钛酸锶薄膜材料可应用于进一步制备磁场探测、磁传感电子器件等方面；所述方法中具有以下主要特征：(A)所述方法通过具有晶格失配(晶格参数小于5％的差异)的掺杂钛酸锶薄膜材料与钙钛矿氧化物衬底材料的共格生长，实现薄膜材料所受界面应力由界面向表面呈逐渐减小的梯度式分布，从而触发材料强关联效应，对此对薄膜材料晶体结构、电子结构、极化特性、以及薄膜与衬底间界面特性等进行调节，并实现对掺杂钛酸锶钙钛矿氧化物薄膜材料磁敏电阻系数的大幅度提高；通过掺杂钛酸锶薄膜在具有钙钛矿结构的氧化物衬底材料表面的共格生长,构建由晶格失配而产生的呈现沿薄膜生长方向逐渐松弛的界面应力场，以及由于元素化合价态在界面处非连续变化所产生的界面极化场，并通过以上两个方面或两个方面之一来触发材料中的强关联效应从而实现对掺杂钛酸锶薄膜材料磁敏电阻系数的大幅度提高。本专利技术通过对所沉积掺杂钛酸锶薄膜材料以及所使用衬底氧化物材料的化学组分进行相对调节，实现对由于元素化合价态在薄膜与衬底界面处非连续变化所产生的界面极化场以及界面应力场的大小以及梯度分布进行综合调节，从而对薄膜材料晶体结构、电子结构、极化特性、以及薄膜与衬底间界面特性进行调控，并实现对掺杂钛酸锶钙钛矿氧化物薄膜材料磁敏电阻系数的优化。进一步地，所述方法的主要步骤包括以下步骤：A)提供薄膜生长所需要的掺杂钛酸锶钙钛矿氧化物材料靶材，其材料体系主要包括具有钙钛矿结构的掺杂型AySr1-yTi1-xBxO3±δ(0≤x≤0.8；0≤y≤0.8；0≤δ≤1)，上式中Sr,Ti,O分别代表锶、钛、氧元素；A代表正3价或正2价掺杂元素取代Sr的晶格位置，优选La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Fe、Mg、Ca、Ba本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种梯度界面应力调控下掺杂钛酸锶薄膜磁敏材料的制备方法，其特征在于，通过构建掺杂钛酸锶与氧化物单晶衬底间的逐渐松弛的梯度界面应力场以及界面极化场，大幅提高掺杂钛酸锶薄膜材料磁阻Magnetoresistance的方法，并最终获得一种处于梯度应力场作用下的掺杂钛酸锶磁场敏感材料；所获得的具有磁场敏感特性的掺杂钛酸锶薄膜材料应用于进一步制备磁场探测、磁传感电子器件方面；/n所述方法中具有以下主要特征：/n(A)所述方法通过具有晶格失配(晶格参数小于5％的差异)的掺杂钛酸锶薄膜材料与钙钛矿氧化物衬底材料的共格生长，实现薄膜材料所受界面应力由界面向表面呈逐渐减小的梯度式分布，从而触发材料强关联效应，对此对薄膜材料晶体结构、电子结构、极化特性、以及薄膜与衬底间界面特性进行调节，并实现对掺杂钛酸锶钙钛矿氧化物薄膜材料磁敏电阻系数的大幅度提高；/n(B)通过掺杂钛酸锶薄膜在具有钙钛矿结构的氧化物衬底材料表面的共格生长,构建由晶格失配而产生的呈现沿薄膜生长方向逐渐松弛的界面应力场，以及由于元素化合价态在界面处非连续变化所产生的界面极化场，并通过以上两个方面或两个方面之一来触发材料中的强关联效应从而实现对掺杂钛酸锶薄膜材料磁敏电阻系数的大幅度提高。/n...

【技术特征摘要】
1.一种梯度界面应力调控下掺杂钛酸锶薄膜磁敏材料的制备方法，其特征在于，通过构建掺杂钛酸锶与氧化物单晶衬底间的逐渐松弛的梯度界面应力场以及界面极化场，大幅提高掺杂钛酸锶薄膜材料磁阻Magnetoresistance的方法，并最终获得一种处于梯度应力场作用下的掺杂钛酸锶磁场敏感材料；所获得的具有磁场敏感特性的掺杂钛酸锶薄膜材料应用于进一步制备磁场探测、磁传感电子器件方面；
所述方法中具有以下主要特征：
(A)所述方法通过具有晶格失配(晶格参数小于5％的差异)的掺杂钛酸锶薄膜材料与钙钛矿氧化物衬底材料的共格生长，实现薄膜材料所受界面应力由界面向表面呈逐渐减小的梯度式分布，从而触发材料强关联效应，对此对薄膜材料晶体结构、电子结构、极化特性、以及薄膜与衬底间界面特性进行调节，并实现对掺杂钛酸锶钙钛矿氧化物薄膜材料磁敏电阻系数的大幅度提高；
(B)通过掺杂钛酸锶薄膜在具有钙钛矿结构的氧化物衬底材料表面的共格生长,构建由晶格失配而产生的呈现沿薄膜生长方向逐渐松弛的界面应力场，以及由于元素化合价态在界面处非连续变化所产生的界面极化场，并通过以上两个方面或两个方面之一来触发材料中的强关联效应从而实现对掺杂钛酸锶薄膜材料磁敏电阻系数的大幅度提高。


2.如权利要求1所述一种梯度界面应力调控下掺杂钛酸锶薄膜磁敏材料的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
A)提供薄膜生长所需要的掺杂钛酸锶钙钛矿氧化物材料靶材，其材料体系主要包括具有钙钛矿结构的掺杂型AySr1-yTi1-xBxO3±δ(0≤x≤0.8；0≤y≤0.8；0≤δ≤1)，上式中Sr,Ti,O分别代表锶、钛、氧元素；A代表正3价或正2价掺杂元素取代Sr的晶格位置；B为正4价、正5价或正6价掺杂元素并取代Ti的晶格位置；
B)提供薄膜生长所需要的氧化物单晶或大晶粒多晶衬底材料，要求所述衬底材料具有钙钛矿结构，晶格参数介于至纳米之间，且与薄膜材料晶格参数差异在3％以内、包括3％；
C)利用等离子体辅助真空沉积法,通过控制等离子体性质与衬底条件，实现掺杂型钛酸锶薄膜材料在与之晶格体结构相同且参数失配的氧化物单晶衬底表面的准外延共格生长，所生长的薄膜材料是掺杂钛酸锶单层膜结构,或多种不同掺杂类型与掺杂浓度的掺杂钛酸锶多层结构。


3.如权利要求1或2所述一种梯度界面应力调控下掺杂钛酸锶薄膜磁敏材料的制备方法，其特征在于，所述掺杂钛酸锶薄膜材料体系为具有钙钛矿结构的掺杂型AySr1-yTi1-xBxO3±δ(0≤x≤0.8；0≤y≤0.8；0≤δ≤1)，上式中Sr,Ti,O分别代表锶、钛、氧元素；A代表正3价或正2价掺杂元素取代Sr的晶格位置，选La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Fe、Mg、Ca、Ba、Al、Ga、In；B为正4价、正5价或正6价掺杂元素并取代Ti的晶格位置。

【专利技术属性】
技术研发人员：陈吉堃，张秀兰，姜勇，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11