本发明专利技术属于自旋电子学领域，更具体地，涉及一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁、其制备和应用。将表面清洁的铁样品置于含有烃类气体的真空环境中，通过解离吸附的方法，该铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在Fe(111)表面上生长出单层石墨烯。由于石墨烯的存在，单晶Fe(111)可以保持其原有的性能，防止与空气中的氧气发生反应。由于Fe结构的独特性质，大量随机取向的畴壁被观察到，这样高质量的自旋器件可以简单地通过在铁表面上生长单层石墨烯来制造，在以后的研究中这种器件有望应用于存储领域或者逻辑计算领域。
【技术实现步骤摘要】
一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁(111)、其制备和应用
本专利技术属于自旋电子学领域，更具体地，涉及一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁(111)、其制备和应用。
技术介绍
铁在有氧条件下会经历腐蚀过程。被氧化的铁可能会失去延展性、耐久性和其他重要的物理性质。对于自旋电子应用领域的研究，铁是一种很重要的材料，具有较好的自旋磁特性，但是很容易被氧化，极难保持纯净的晶体下的物理特性。一般通过合金或盖层形式可以用于保护铁，但仍达不到理想的效果。为了防止腐蚀，研究人员研究了合金生产、阴极保护和涂层等方法。传统的涂层剂包括重金属，如Cd和挥发性有机溶剂，如甲醛，这可能会导致环境和健康问题，类似于那些与镀锌方法有关的问题，性能并不理想，需要寻找新的方法来防止铁晶体表面发生氧化。洪正敏等人在仅100微米的很薄的Fe(100)金属箔片上生长大面积的多层石墨烯。该方法对铁箔有厚度要求，限制它的应用范围，且制备难度增大；另外，该方法生长流程比较复杂，需要考虑的因素很多；而且该方法制得的生长多层石墨烯的Fe(100)畴壁不明显，磁矩较小，不具有很好的防止铁晶体表面氧化的功能。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁(111)、其制备和应用，其通过解离吸附的方法，使铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在Fe(111)表面生长出单层石墨烯，由此解决现有技术的铁单晶畴壁不明显，磁矩较小，且易氧化等的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种在单晶铁(111)表面上合成单层石墨烯的方法，包括如下步骤：将表面清洁的单晶铁(111)铁样品置于含有烃类气体的真空环境中，该真空环境内的压力不高于10-5帕；通过解离吸附的方法，该铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在单晶铁(111)的表面长出单层石墨烯。优选地，所述烃类气体为C2H2或者CH4气体。优选地，所述表面清洁的单晶铁(111)铁样品，通过如下方法获得：对单晶铁(111)铁样品表面进行多次溅射轰击以及真空退火，以清除其表面的污染物，直至在铁样品表面检测不到S、NO2或O2的峰值，得到表面清洁的单晶铁(111)铁样品。优选地，获得所述表面清洁的单晶铁(111)铁样品，具体包括如下步骤：(1-1)将单晶铁(111)铁样品放置于超高真空溅射腔室内，在不低于500eV且不高于1500eV的能量下进行Ar+溅射轰击铁样品表面；所述超高真空溅射腔室内的压力不高于10-5帕；(1-2)将铁样品在不低于500K且不高于1000K的温度条件下进行高温真空退火2-5分钟；(1-3)重复步骤(1-1)和步骤(1-2)，以清除其表面的污染物，直至在铁样品表面检测不到S、NO2或O2的峰值，得到表面清洁的单晶铁(111)铁样品。优选地，步骤(1-1)所述Ar+溅射轰击时间不短于30分钟。优选地，步骤(1-3)通过光电子发射光谱学、低能电子衍射和角分辨光电子能谱学中的至少一种进行S、NO2或O2的检测。优选地，所述真空环境中烃类气体的气压为1×10-6到1×10-5托，解离吸附时的温度为不低于500K且不高于1000K。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁，在单晶铁(111)的表面上生长覆盖有单层石墨烯。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的表面生长有单层石墨烯的单晶铁的应用，用于制备自旋器件。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种自旋器件，包括所述的表面生长有单层石墨烯的单晶铁。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供了一种在单晶铁(111)晶面上合成单层石墨烯的方法，将表面清洁的单晶铁(111)铁样品置于含有烃类气体的真空环境中，通过解离吸附的方法，该铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在Fe(111)表面生长出单层石墨烯。实验证明，能够通过化学解离吸附的方法，将烃类气体中的碳解离吸附在单晶铁(111)晶面上，获得表面生长有单层石墨烯的单晶铁。(2)本专利技术通过在10-5至10-10帕超高真空(ultra-highvacuum，UHV)条件下，通过解离吸附的方法成功在单晶铁(111)表面生长出高质量的单层石墨烯。(3)本专利技术通过实验证明了表面生长有单层石墨烯的单晶Fe(111)的磁特性。由于石墨烯的存在，单晶Fe(111)基底可以保持其原有的性能，因为石墨烯可以防止单晶铁与空气中的氧气发生反应。由于Fe结构的独特性质，大量随机取向的畴壁被观察到，这样高质量的自旋器件可以简单地通过在表面上生长石墨烯来制造，在以后的研究中这种器件有望应用于存储领域或者逻辑计算领域。附图说明图1中显示了没有覆盖单层石墨烯的裸铁(上半图)和覆盖单层石墨烯涂层的铁(下半图)两种情况下铁表面的PES光谱。图2表示暴露至含量3000L氧后，裸铁(上半图)和单层石墨烯涂层(下半图)Fe(111)表面的PES结果；图3是AFM、STM(Scanningtunnelingmicroscopy)、MFM和SPLEEM(spin-polarizedlow-energyelectronmicroscopy)的测量结果。其中，图3中内容(A)表示原子力显微镜(Atomicforcemicroscopy，AFM)图像；图3内容(B)是在环境条件下测得的MFM图像；图3内容(C)是通过SPLEEM获得的畴结构显微图。图4给出了材料结构的示意图、层的形成以及由此产生的带结构:图4内容(A)是裸Fe(111)结构示意图。图4内容(B)是石墨烯在Fe(111)上形成后的结构模型。图4内容(C)和内容(D)分别是裸铁(111)和单层石墨烯/铁(111)在K点周围的角分辨光电子能谱学(angle-resolvedphotoemissionspectroscopy，ARPES)图像。图4内容(E)是Fe(111)上单层石墨烯的低能电子衍射(low-energyelectrondiffraction，LEED)图。图4内容(F)表明该模式显示了两个单独旋转的畴。图5是Fe(111)/单层石墨烯结构的M-H环形曲线以及x射线光谱。其中，图5内容(A)是该结构在面内方向的M-H曲线图，表明了易磁化轴是在面内方向，垂直磁化分量上曲线是线性变化的，是难磁化轴。图5内容(B)表示石墨烯生长后Fe(111)的x射线吸收谱(X-rayabsorptionspectroscopy，XAS)和x射线磁性圆二色性谱(X-raymagneticcircularDichroism，XMCD)。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种在单晶铁(111)表面上合成单层石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n将表面清洁的单晶铁(111)铁样品置于含有烃类气体的真空环境中，该真空环境内的压力不高于10
【技术特征摘要】
1.一种在单晶铁(111)表面上合成单层石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将表面清洁的单晶铁(111)铁样品置于含有烃类气体的真空环境中，该真空环境内的压力不高于10-5帕；通过解离吸附的方法，该铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在单晶铁(111)的表面长出单层石墨烯。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烃类气体为C2H2或者CH4气体。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面清洁的单晶铁(111)铁样品，通过如下方法获得：
对单晶铁(111)铁样品表面进行多次溅射轰击以及真空退火，以清除其表面的污染物，直至在铁样品表面检测不到S、NO2或O2的峰值，得到表面清洁的单晶铁(111)铁样品。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，获得所述表面清洁的单晶铁(111)铁样品，具体包括如下步骤：
(1-1)将单晶铁(111)铁样品放置于超高真空溅射腔室内，在不低于500eV且不高于1500eV的能量下进行Ar+溅射轰击铁样品表面；所述超高真空溅射腔室内的压力不高于10-5帕；
(1-2)将铁样品在不低于50...
【专利技术属性】
技术研发人员：洪正敏，李若凡，游龙，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。