具有大的霍尔效应的氮化铁薄膜的制备方法

摘要

本发明涉及一种具有大的异常霍尔效应的氮化铁薄膜的制备方法，采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的KPS450型可调三靶超高真空磁控溅射镀膜机，在强磁性靶头上安装一个纯度为99.99％的Fe靶。靶材的厚度为2.3mm，直径为60mm；靶与基片之间的距离为10cm。开启磁控溅射设备，直至溅射室的背底真空度为8×10-6Pa；向真空室通入纯度为99.999％的Ar和N2的混合气体，将真空度保持在1Pa。在Fei靶上施加0.3A的电流和300V左右的直流电压；完全打开闸板阀，待系统冷却后，向真空室充入纯度为99.999％的氮气，打开真空室，取出样品。由于目前工业化生产所采用的主要方法是溅射法，本发明所采用的反应溅射法，不需要基底加热等附加条件，在工业化生产上具有明显优势。

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种具有大的异常霍尔效应的氮化铁薄膜的制备方法，更具体地，是一种应用于电子学器件上的具有大的异常霍尔效应的氮化铁薄膜的制备方法。

背景技术

在1995和1996年先后报道了在逾渗阈值附近，NiFe-SiO₂、Fe-SiO₂、Ni-SiO₂等磁性金属-绝缘体颗粒薄膜系统中霍耳效应的巨大增强现象[J.Appl.Phys.，1996，79(8)：6140～6142；Appl.Phys.Lett.，1995，67(23)：3497～3499]。他们发现，在5K的温度下，Ni-SiO₂薄膜的反常霍耳电阻率ρ_xy高达160μΩcm，比相应的纯金属材料高四个量级，并把这一现象称为巨霍耳效应。其在磁性传感器件等电子学器件方面具有广泛的应用前景。

氮化铁薄膜具有耐腐蚀性、耐磨性和高的热稳定性等优点，成为人们的研究热点。迄今为止，由于氮化铁有很多相结构，其磁性质差别很大，所以人们主要研究氮化铁薄膜的磁性质。铁氮合金在不同的温度，不同的氮含量下会有不同的相结构。在591℃以下，铁氮合金系统中存在α、γ′、ε等三个单相，其中的铁原子排列分别是体心立方(bcc)，面心立方(fcc)和六角密排(hcp)结构。在氮原子百分含量小于20％时，在铁氮系统中存在以下四相：体心立方结构的α-Fe(N)，体心四方(bct)结构的α′-Fe(N)，体心四方结构的α″-Fe₁₆N₂和简立方结构的γ′-Fe₄N等四相。其中，α″-Fe₁₆N₂的饱和磁化强度最高，是近三十年来人们研究的热点。但是到目前为止，人们对氮化铁薄膜的电输运特性的研究较少。

目前，国内外的实验报道中只有Y.H.Cheng等人在PHYSICAL REVIEW B 80，174412(2009)上报道的采用溅射法制备的混有γ-Fe₂O₃的ε-Fe₃N中发现了异常霍耳效应，但是其中报导的异常霍耳电阻率仅为25μΩcm，比本发明中的Hall电阻率(61μΩcm)要低一倍还多。

发明内容

从工业化生产的角度来讲，需要使用溅射法来制备样品，并且要求制备条件比较简单；从实际应用上需要制备的样品具有大的霍耳电阻率。本发明即从以上两个目的出发，开发了反应磁控溅射法制备了氮化铁薄膜材料，并且具有大的霍耳电阻率。

本发明在制备氮化铁薄膜时，所采用的基底材料为玻璃衬底。

本发明的具体制备方法是经过如下步骤实现的：

1、采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的KPS450型可调三靶超高真空磁控溅射镀膜机，在强磁性靶头上安装一个纯度为99.99％的Fe靶。靶材的厚度为2.3mm，直径为60mm；靶与基片之间的距离为10cm。

2、将基底材料通过超声波等方式将表面杂质清除后，将基底安装在基片架上，靶与基片之间的距离为10cm，基片架在上方，靶在下方；

3、开启磁控溅射设备，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度为8×10^-6Pa；

4、向真空室通入纯度为99.999％的Ar(100sccm)和N₂(15sccm)的混合气体，将真空度保持在1Pa。

5、开启溅射电源，在Fei靶上施加0.3A的电流和300V左右的直流电压，预溅射10分钟，等溅射电流和电压稳定；

6、打开基片架上的档板开始溅射，基片位置固定。溅射过程中，基底不加热；

7、溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar和N₂，完全打开闸板阀，继续抽真空，然后关闭真空系统。待系统冷却后，向真空室充入纯度为99.999％的氮气，打开真空室，取出样品。

本发明所涉及的氮化铁薄膜在电子学器件上具有潜在的应用，并且本发明采用反应溅射法是工业上生产薄膜材料的常用手段、靶材选择简单和靶材使用率较高等优点。

与其它具有大的异常霍耳效应的薄膜材料的方法相比，本发明所制备的氮化铁薄膜具有大的霍耳效应，并且在低磁场下霍耳电阻率随磁场的变化关系的斜率不随温度变化，有利于其在电子学器件上的实际应用。所采用的方法简单实用，有利于在工业生产上的推广。

本发明所制备样品的异常霍耳电阻率比较大(61μΩcm)，远大于Y.H.Cheng等人在PHYSICAL REVIEW B 80，174412(2009)上报道的采用溅射法制备的混有γ-Fe₂O₃的ε-Fe₃N中发现了异常霍耳电阻率仅为25μΩcm。所以本发明中的材料更有有利于在实际电子学器件上的应用。

由于目前工业化生产所采用的主要方法是溅射法，本发明所采用的反应溅射法，不需要基底加热等附加条件，在工业化生产上具有明显优势；

附图说明

图1给出了本发明中制备的氮化铁薄膜的X射线衍射谱。

图2给出了本发明中制备的氮化铁薄膜的透射电子显微镜图像，插图为选区电子衍射图样。

图3给出了本发明制备的氮化铁薄膜的电阻率随温度的变化关系曲线。

图4给出了本发明制备的氮化铁薄膜的不同温度下测量的霍耳电阻率随外加磁场的变化关系曲线，插图为高磁场下霍耳电阻率随外加磁场的变化关系曲线。

具体实施方式

根据我们对本发明中所制备的样品进行的结构和性质分析，下面将反应溅射方法制备具有大的异常Hall效应的氮化铁薄膜的最佳实施方式进行详细地说明：

1、采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的KPS-I型超高真空可调三靶磁控溅射镀膜机，在强磁性靶头上安装一个纯度为99.99％的Fe靶。靶材的厚度为2.3mm，直径为60mm；靶与基片之间的距离为10cm。

2、将基底材料通过超声波等方式将表面杂质清除后，将基底安装在基片架上，靶与基片之间的距离为10cm，基片架在上方，靶在下方；

3、开启磁控溅射设备，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度为8×10^-6Pa；

4、向真空室通入纯度为99.999％的Ar(100sccm)和N₂(15sccm)的混合气体，将真空度保持在1Pa。

5、开启溅射电源，在Fei靶上施加0.3A的电流和300V左右的直流电压，预溅射10分钟，等溅射电流和电压稳定；

6、打开基片架上的档板开始溅射，基片位置固定。溅射过程中，基底不加热；

7、溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar和N₂，完全打开闸板阀，继续抽真空，然后关闭真空系统。待系统冷却后，向真空室充入纯度为99.999％的氮气，打开真空室，取出样品。

为确认本发明的效果，我们对本发明所制备的薄膜进行了X射线衍射，透射电子显微镜和电输运特性的测量。

图1给出了本发明中制备的氮化铁薄膜的X射线衍射谱。从图中可以看出，衍射峰分别来自于γ″-FeN(111)晶面和ε-Fe₃N(101)、(111)、(112)和(202)晶面，说明样品中含有γ″-FeN和ε-Fe₃N两种相。

图2给出了本发明中制备的氮化铁薄膜的透射电子显微镜图像，插图为选区电子衍射图样。从显微镜图像中可以看出，颗粒周围有很多白色的非晶态物质，并且颗粒的尺寸分布不均匀。从选区电子衍射图样上，我们可以看到衍射环分别对应于γ″-FeN(111)晶面和ε-Fe₃N(101)、(111)、(112)和(202)晶面，进一步证明了X射线衍射的结果。

图3给出了本发明制备的氮化铁薄膜的电阻率随温度的变化关系曲线。从图中了以看出，样品的电阻率随着温度的降低而升高，表现为半导体的导电特性。

图4给出了本发明制备的氮化铁薄膜的不同温度下测量的霍耳电阻率随外加磁场的变化关系曲线。从图中可以看出，样品的最大饱和异常霍耳电阻率为3温度为3K时的61μΩcm。并且在-10kOe到+10kOe的磁场范围内，样品的霍耳电阻率随外加磁场呈线性变化关系。在3K到305K的温度区间内此线性关系的斜率不变，也就是说对温度没有依赖性，这一特点有利于其在此温度范围的实际应用。插图为高磁场下霍耳电阻率随外加磁场的变化关系曲线。从图中可以看出，样品的饱和霍耳电阻率随着温度的增加而降低。

本发明提出的具有大的异常霍尔效应的氮化铁薄膜的制备方法，已通过实施例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明的内容、精神和范围内对本文所述的内容进行改动或适当变更与组合，来实现本发明。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明的精神、范围和内容中。