【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种非共线反铁磁mn3al单晶材料及其外延制备方法，属于凝聚态物理。
技术介绍
1、磁性材料在被发现后就受到了广泛的应用，例如指南针对世界航海事业做出了重大贡献。随着现代科技的发展，磁性材料更是得到了广泛应用。在磁性材料中，磁矩平行排布称为铁磁性材料，反平行排布称为反铁磁材料。铁磁材料被广泛应用于存储器，传感器，发电机等器件中，而反铁磁却一直被忽视。上世纪八十年代自旋电子学器件出现后，反铁磁也只是被应用于自旋电子学器件，实现铁磁层磁矩的钉扎，并未受到过多关注。但反铁磁材料与铁磁材料相比，具有零饱和磁化强度，超快自旋进动频率(太赫兹范围)等优点。反铁磁器件可以实现比铁磁器件更高的器件集成密度，更快的响应速度。在发现反铁磁中具有隧穿各向异性磁电阻和各向异性磁电阻之后，反铁磁材料被证明具有应用于自旋电子学器件的潜力，反铁磁自旋电子学得到快速发展。
2、但一般的共线反铁磁由于其磁矩共线反平行排布，没有净余磁矩，很难对外加磁场做出响应，进而很难实际应用于器件。在反铁磁材料中，非共线反铁磁不但继承了共线反铁磁的优点，其非共线磁结构的取向还可以被磁场调控，克服了共线反铁磁的缺点而受到了广泛关注。目前已经发现和研究的mn3基非共线反铁磁有立方结构的mn3pt，mn3ir，mn3rh等和六角的mn3sn，mn3ge，mn3ga等。其中，六角结构的mn3基非共线反铁磁材料属于p63/mmc空间群，三个mn原子在六角晶体结构的a-b平面形成kagome结构，其磁矩在面内以120度的夹角排布，进而形成了面内非共线反铁磁结构而无
3、非共线反铁磁材料拥有奇异的物理性质，比如各向异性的反常/自旋霍尔效应，反常能斯特效应等。其特殊的磁结构可以被外加磁场或者自旋流调控，进而可以应用于自旋电子学器件。目前报道的非共线反铁磁绝大多数都含有贵/重金属，金属ge和ga也由于其可以应用于半导体器件而价格昂贵，这对非共线反铁磁走向实际应用是不利的。寻找一种成本更低的非共线反铁磁材料对未来反铁磁自旋电子器件的发展至关重要。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供一种非共线反铁磁mn3al单晶材料及其外延制备方法，具有与mn3sn，mn3ge，mn3ga相同的晶体结构，因此也具有非共线反铁磁结构，可以应用于反铁磁自旋电子学器件，作为未来存储器件的材料，且原材料制备成本比已发现的mn3基非共线反铁磁材料低。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种非共线反铁磁mn3al单晶材料，由下到上依次包括单晶si(111)基片、单晶cu缓冲层和单晶mn3al薄膜，材料的外延取向关系为mn3al(0001)[10-10]//cu(111)[11-2]//si(111)[01-1]。
4、上述非共线反铁磁mn3al单晶材料的外延制备方法，步骤如下：
5、(1)使用三氯甲烷、丙酮和无水乙醇分别超声清洗单晶si(111)基片表面，然后使用氢氟酸清洗单晶si(111)基片；
6、(2)清洗结束后，将单晶si(111)基片放入分子束外延设备，在高真空环境下，将样品传入生长腔，在生长腔内加热处理至1200℃或加热到单晶si(111)基片出现7乘7再构后，再热处理10min；
7、(3)将单晶si(111)基片冷却至室温，生长腔体真空低于1×10-9mbar，然后将金属cu热蒸发源升温至926℃，单晶si(111)基片处于室温，外延生长单晶cu(111)缓冲层；
8、(4)将金属mn双温热蒸发源底部温度升至699.6℃，源口温度升至749.6℃，金属铝热蒸发源温度升至880℃，生长腔体真空低于1.5×10-9mbar；
9、(5)将步骤(3)获得的基片置于室温,打开金属mn源和金属al源的挡板，生长mn3al单晶薄膜。
10、根据本专利技术优选的，步骤(1)中，三氯甲烷、丙酮和无水乙醇的处理时间分别是15min、5min和5min，氢氟酸浓度为5％，氢氟酸清洗单晶si(111)基片时间为1min。
11、根据本专利技术优选的，步骤(2)中，高真空环境为10-10mbar。
12、根据本专利技术优选的，步骤(3)中，单晶cu(111)缓冲层生长速率为0.08nm/min,生长时间为12.5min，单晶cu(111)缓冲层厚度为1nm。
13、根据本专利技术优选的，步骤(4)中，在步骤(4)设定条件下在mgo(001)基片和si(111)基片上分别生长mn和al的单质薄膜，用高分辨x射线衍射仪做x射线反射率(xrr)测量，校正相应的薄膜厚度，获得生长速率mn为0.0843nm/min，金属al为0.0368nm/min，在此生长温度下生长薄膜获得的元素比例mn:al＝3:1，以此对mn和al生长速率校正。
14、根据本专利技术优选的，步骤(5)中，mn3al的生长速率为0.1211nm/min，生长165min后，获得mn3al(0001)取向厚度约20nm的单晶薄膜。
15、本专利技术的有益效果在于：
16、六角mn3al具有与mn3sn，mn3ge，mn3ga相同的晶体结构，因此也具有非共线反铁磁结构，可以应用于反铁磁自旋电子学器件，作为未来存储器件的材料，且原材料制备成本比已发现的mn3基非共线反铁磁材料低，然而目前尚未有关于六角mn3al材料的提出及其生长制备方法报道，利用本专利技术首次在实验上成功制备了单晶六角mn3al(0001)薄膜，对于未来反铁磁自旋电子学器件的发展具有重要意义。同时，本专利技术在单晶硅基片上成功生长mn3al(0001)，证明mn3al可以与现在成熟的半导体技术相结合，进一步拓宽了其应用前景。
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1.一种非共线反铁磁Mn3Al单晶材料，其特征在于，由下到上依次包括单晶Si(111)基片、单晶Cu缓冲层和单晶Mn3Al薄膜，材料的外延取向关系为Mn3Al(0001)[10-10]//Cu(111)[11-2]//Si(111)[01-1]。
2.如权利要求1所述的非共线反铁磁Mn3Al单晶材料的外延制备方法，其特征在于，步骤如下：
3.如权利要求2所述的非共线反铁磁Mn3Al单晶材料的外延制备方法，其特征在于，步骤(1)中，三氯甲烷、丙酮和无水乙醇的处理时间分别是15min、5min和5min，氢氟酸浓度为5％，氢氟酸清洗单晶Si(111)基片时间为1min。
4.如权利要求2所述的非共线反铁磁Mn3Al单晶材料的外延制备方法，其特征在于，步骤(2)中，高真空环境为10-10mbar。
5.如权利要求2所述的非共线反铁磁Mn3Al单晶材料的外延制备方法，其特征在于，步骤(3)中，单晶Cu(111)缓冲层生长速率为0.08nm/min,生长时间为12.5min，单晶Cu(111)缓冲层厚度为1nm。
6.如权利要求2
7.如权利要求2所述的非共线反铁磁Mn3Al单晶材料的外延制备方法，其特征在于，步骤(5)中，Mn3Al的生长速率为0.1211nm/min，生长165min后，获得Mn3Al(0001)取向厚度20nm的单晶薄膜。
...【技术特征摘要】
1.一种非共线反铁磁mn3al单晶材料，其特征在于，由下到上依次包括单晶si(111)基片、单晶cu缓冲层和单晶mn3al薄膜，材料的外延取向关系为mn3al(0001)[10-10]//cu(111)[11-2]//si(111)[01-1]。
2.如权利要求1所述的非共线反铁磁mn3al单晶材料的外延制备方法，其特征在于，步骤如下：
3.如权利要求2所述的非共线反铁磁mn3al单晶材料的外延制备方法，其特征在于，步骤(1)中，三氯甲烷、丙酮和无水乙醇的处理时间分别是15min、5min和5min，氢氟酸浓度为5％，氢氟酸清洗单晶si(111)基片时间为1min。
4.如权利要求2所述的非共线反铁磁mn3al单晶材料的外延制备方法，其特征在于，步骤(2)中，高真空环境为10-10mbar。
5.如权利要求2所述的非共线反铁磁mn3al单晶材料...
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