Fe3Si/绝缘层/Si多层结构膜材料的制备与性质研究

摘要

实验使用磁控溅射和真空退火系统制备Fe3Si/MgO/Si多层膜结构。通过控制溅射时间来控制绝缘层MgO的厚度为20nm、50nm、100nm、150nm、200nm。Fe、Si膜厚比分别为2:1，2.5:1，3:1，3.5:1和4:1。退火温度为600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃，退火时间为3小时。最后分析全面实验结果优化Fe、Si配比、MgO厚度和退火温度。 通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜（SEM)对制备的多层膜样品的晶体结构和显微结构进行研究。研究表明：1)退火温度为600℃，650℃，700℃时，不论MgO层多厚，所有样品全部都生成了Fea.9SiQ.1薄膜。2)当退火温度为750℃时，MgO层厚度为20nm、50nm、100nm和150nm的样品生成的是FeQ.9Sia.1薄膜，而MgO层厚度为200nm，Fe、Si膜厚配比为2:1和2.5:1的样品生成Fe3Si薄膜但衍射峰强度没有表现出显著的规律性，Fe、Si膜厚配比为3:1和3.5:1时样品的Fe3Si衍射峰比较明显，薄膜结晶质量较好；Fe、Si膜厚配比为4:1的样品Fe3Si(200)衍射峰展宽，表明样品结晶质量变差。3)当退火温度为800℃时，所有样品都有Fe3Si生成，同时有的样品中有硅化物FeSi出现，只有MgO层厚度为100nm，Fe、Si膜厚配比为3:1及MgO层厚度为150nm，Fe、Si膜厚配比为3.5:1的样品形成的是单一相的Fe3Si薄膜。4)退火温度为850℃，MgO厚度为20nm及退火温度为900℃，MgO厚度为200nm的样品生成了质量较高的半导体相0-FeSi2薄膜，这个结果对于0-FeSi2的制备有重要的参考价值。 上述结果与无MgO缓冲层时的研究结果不太相同，当没有缓冲层时退火温度为700℃以下的样品中生成的是Feo.9Sio.1薄膜，退火温度为700℃时生成Fe3Si同时伴随着FeSi生成，退火温度为800℃及以上时样品会生成单一的FeSi相。综上所述，退火温度为800℃，缓冲层MgO厚度为100nm，Fe、Si厚度比为3:1时生成的Fe3Si是单一相，且薄膜结晶质量最好，此时薄膜的电阻率是0.011Ω·cm，饱和磁化强度为485.4emu/cm3。CV特性测试得到样品的平带电容为9.37pF。

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