一种稀土掺杂铥铁石榴石薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种稀土掺杂铥铁石榴石薄膜及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)在钆镓石榴石基底上沉积稀土石榴石和铥铁石榴石，得到共溅射薄膜；(2)对所述共溅射薄膜进行慢退火处理，得到所述稀土掺杂铥铁石榴石薄膜，本发明专利技术解决了目前高稀土掺杂铥铁石榴石单晶薄膜的制作成本大的困难，为其在高频段的应用提供了材料基础。应用提供了材料基础。应用提供了材料基础。

【技术实现步骤摘要】
一种稀土掺杂铥铁石榴石薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于磁性氧化物薄膜
，涉及一种稀土掺杂铥铁石榴石薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前稀土(RE)铁石榴石材料(REIG，分子式单元RE3Fe5O
12
)的薄膜广泛应用于微波频段，其中铥铁石榴石(Tm3Fe5O
12
，TmIG)具有高度可调的垂直各向异性(PMA)，有希望成为存储器或逻辑器件的候选材料。
[0003]铥铁石榴石薄膜当前已经实现了磁致弹性起源的PMA，但单一的铥铁石榴石薄膜的最大的缺点就是线宽非常大，从而造成其高频率下的损耗很大。
[0004]目前越来越多的目光关注在高稀土掺杂对提高铥铁石榴石(TmIG)薄膜的各种效应带来的影响，而有一种直接控制高稀土掺杂TmIG薄膜的方法，并且能够降低器件高频下带来的损耗进而降低产能显得尤为重要。目前制备石榴石薄膜的有很多种，如液相外延、物理气相沉积、化学气相沉积等等方法，其中只有磁控溅射法实现了工业化，利用该技术制备单晶薄膜也是越来越突出的需求。
[0005]CN113838967A公开了一种合金/磁绝缘体自旋异质结及其制备方法和应用，其采用液相外延(LPE)法在衬底表面生长具有高质量的Bi:TmIG薄膜，作为磁绝缘层，然后通过磁控溅射法生长锗铋铂合金薄膜，作为重金属层，进而形成GeBi:Pt/Bi:TmIG的合金/磁绝缘体自旋异质结结构，其所述Bi:TmIG薄膜中Bi的掺杂量仅为0.15
‑
0.5％。
[0006]高稀土掺杂TmIG薄膜都是先进行计算控制的掺杂量通过熔炼法制备出稀土掺杂的TmIG靶材，再分别将多个掺杂量的靶材进行溅射镀出薄膜。这样不仅会造成计算量大，制作时间长，靶材成本大等问题，最后获得薄膜的成分也会有很大偏离。
[0007]因此研究一种更为简便的方法实现稀土掺杂TmIG薄膜的方法，研究单一直接控制变量与掺杂量的关系，实现制备稀土掺杂的单晶薄膜对提高微波领域的各器件的性能的应用有重要意义。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种稀土掺杂铥铁石榴石薄膜及其制备方法，本专利技术解决了目前高稀土掺杂铥铁石榴石单晶薄膜的制作成本大的困难，为其在高频段的应用提供了材料基础。
[0009]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供了一种稀土掺杂铥铁石榴石薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0011](1)在钆镓石榴石基底上沉积稀土石榴石和铥铁石榴石，得到共溅射薄膜；
[0012](2)对所述共溅射薄膜进行慢退火处理，得到所述稀土掺杂铥铁石榴石薄膜。
[0013]优选地，步骤(1)所述钆镓石榴石基底为(111)晶向石榴石。
[0014]优选地，所述钆镓石榴石基底的规格为5
×
5mm。
[0015]优选地，步骤(1)所述沉积的方法包括磁控溅射沉积。
[0016]优选地，所述磁控溅射沉积包括分别化合物稀土石榴石靶材和铥铁石榴石靶材置于射频靶上，分别同时进行磁控溅射处理。
[0017]优选地，所述磁控溅射沉积的气氛包括氩气。
[0018]优选地，所述氩气的流速为3～5sccm，例如：3sccm、3.5sccm、4sccm、4.5sccm或5sccm等。
[0019]优选地，所述稀土石榴石靶材的溅射沉积功率为90～100W，例如：90W、92W、95W、98W或100W等。
[0020]优选地，所述铥铁石榴石靶材的溅射沉积功率为90～100W，例如：90W、92W、95W、98W或100W等。
[0021]优选地，所述磁控溅射沉积的溅射气压为2～4Pa，例如：2Pa、2.5Pa、3Pa、3.5Pa或4Pa等。
[0022]优选地，所述磁控溅射沉积的时间为1～3h，例如：1h、1.5h、2h、2.5h或3h等。
[0023]优选地，步骤(2)所述慢退火处理包括一步升温退火，二步升温退火和三步降温退火。
[0024]优选地，所述慢退火处理的气氛包括氧气。
[0025]优选地，所述一步升温退火的升温速度为4～6℃/min，例如：4℃/min、4.5℃/min、5℃/min、5.5℃/min或6℃/min等。
[0026]优选地，所述一步升温退火的温度为400～600℃，例如：400℃、450℃、500℃、550℃或600℃等。
[0027]优选地，所述一步升温退火的保温时间为20～40min，例如：20min、25min、30min、35min或40min等。
[0028]优选地，所述二步升温退火的升温速度为1.5～2.5℃/min，例如：1.5℃/min、1.8℃/min、2℃/min、2.2℃/min或2.5℃/min等。
[0029]优选地，所述二步升温退火的温度为700～900℃，例如：700℃、750℃、800℃、850℃或900℃等。
[0030]优选地，所述二步升温退火的保温时间为4～6h，例如：4h、4.5h、5h、5.5h或6h等。
[0031]优选地，所述三步降温退火的降温温速度为4～6℃/min，例如：4℃/min、4.5℃/min、5℃/min、5.5℃/min或6℃/min等。
[0032]优选地，所述三步降温退火的温度为400～600℃，例如：400℃、450℃、500℃、550℃或600℃等。
[0033]优选地，所述三步降温退火后自然冷却至室温。
[0034]第二方面，本专利技术提供了一种稀土掺杂铥铁石榴石薄膜，所述稀土掺杂铥铁石榴石薄膜通过如第一方面所述方法制得。
[0035]优选地，所述稀土掺杂铥铁石榴石薄膜中，掺杂稀土元素的元素质量占比为8～12％，例如：8％、9％、10％、11％或12％等。
[0036]相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0037]本专利技术所述方法可以在钆镓石榴石基底上直接生长不同掺杂含量的稀土TmIG薄
膜的薄膜，通过改变溅射功率，将在钆镓基底上生长的稀土石榴石薄膜中的掺杂元素原子比变化在10.82
±
1.68％，在较大的掺杂含量之下仍保持在单晶结构，没有破坏TmIG的结构，实现了稀土掺杂TmIG单晶薄膜的制备，极大地简化了原始的制备过程。
附图说明
[0038]图1是本专利技术实施例1所述稀土元素Y掺杂TmIG薄膜的TEM图谱。
[0039]图2是本专利技术实施例1和对比例1制得TmIG薄膜的VSM对比图谱。
[0040]图3是本专利技术实施例1和对比例1制得TmIG薄膜平面内的360
°
方向的共振场大小分布图
[0041]图4是本专利技术实施例1和对比例1制得TmIG薄膜平面内的360
°
方向的共振线宽大小分布图。
[0042]图5本专利技术实施例1和对比例1制得TmIG薄膜平面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种稀土掺杂铥铁石榴石薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)在钆镓石榴石基底上沉积稀土石榴石和铥铁石榴石，得到共溅射薄膜；(2)对所述共溅射薄膜进行慢退火处理，得到所述稀土掺杂铥铁石榴石薄膜。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述钆镓石榴石基底为(111)晶向石榴石；优选地，所述钆镓石榴石基底的规格为5
×
5mm。3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述沉积的方法包括磁控溅射沉积；优选地，所述磁控溅射沉积包括将稀土石榴石靶材置于射频靶上采用斜靶溅射，铥铁石榴石靶材置于射频靶上采用直靶溅射；优选地，所述磁控溅射沉积的气氛包括氩气；优选地，所述氩气的流速为3～5sccm。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述稀土石榴石靶材的溅射沉积功率为90～100W；优选地，所述铥铁石榴石靶材的溅射沉积功率为90～100W。5.如权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射沉积的溅射气压为2～4Pa；优选地，所述磁控溅射沉积的时间为1～3h。6.如权利要求1
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周婷婷，潘丽宁，谭果果，满其奎，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：