具有低温磁电阻效应的外延Ti

摘要

本发明涉及具有低温磁电阻效应的Ti

说明书

技术领域

本发明涉及自旋电子学材料技术，特别是一种具有较高自旋极化率的新型铁磁材料及 制备方法，更具体地，是一种具有低温磁电阻效应的Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜材料及制备方法。

背景技术

近年来，由于在磁信息存储和读取方面具有巨大的应用前景，自旋电子学材料备受关注。 2007年的诺贝尔物理学奖授予了自旋电子学的开创者Albert Fert和Peter Grünberg两位 教授。现在，如何获取高自旋极化的电流仍然是自旋电子学领域的热点问题之一。获得高自 旋注入的办法主要有选择高自旋极化率的电极材料，特别是能和半导体材料复合在一起的具 有高自旋极化率的铁磁性材料。

第一性原理计算表明，Fe₃O₄、La_1-xA_xMnO₃(LAMO，A为碱土元素Ca、Sr和Ba等)、CrO₂、NiMnSb 等材料的能带结构介于金属和绝缘体之间，被称为半金属材料。对于一个自旋方向，半金属 材料的能带结构具有金属特性，在费米面附近具有一定的态密度；而对另一种自旋方向，其 能带结构具有绝缘体特性，在费米面附近态密度为零或电子是局域化的。因此，从理论上讲， 半金属材料应具有100％的自旋极化率。但是迄今为止，对于Fe₃O₄材料，在实验上并没有得到 高的自旋极化率，也不清楚Fe₃O₄是否具有半金属特性，尤其是在室温条件下。LAMO和CrO₂材 料的居里温度都比较低，不能满足实际应用的要求。Heusler合金的结构比较复杂，价格也 比较贵，不容易制备，并不利于实际生产。因此，寻找具有高自旋极化率的新型铁磁性电极 材料是进一步发展自旋电子学器件的关键因素和研究热点。

氮化钛晶体属立方晶系，面心立方结构，其晶格常数a＝0.42173nm。氮化钛薄膜具有优 异的机械、热、电和防腐性能，由于硬度高、摩擦系数低，被广泛用作模具、刀具等的耐磨 改性层；由于抗磨损、防腐性能好、熔点高、高温稳定性好，被广泛用于飞行器和火箭等航 空航天零部件；由于导电、导热性能好，在微电子领域中常用作阻挡层。如果将磁性元素掺 杂到氮化钛体系中，如能获得即具有磁性有导电的材料，将会推动氮化钛材料的新用途。

目前，国内外的实验报道中只有日本的K.Inumaru等人在APPLIED PHYSICS LETTERS 91， 152501(2007)上报道的采用脉冲激光沉积方法制备高Cr含量掺杂的TiN外延薄膜中发现磁 电阻现象；为了对比研究他们还在PHYSICAL REVIEW B 78，052406(2008)上报道了采用化 学方法制备的高Cr含量掺杂的TiN固溶体中发现了同样的现象。但是样品的居里温度低于室 温，不能达到实际应用的要求。另外，实际应用中多以薄膜材料为主，制备方法多采用溅射 法。但到目前为止国际上并没有关于采用溅射法制备Cr掺杂TiN外延薄膜的相关报道。

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；从实际应用上需要制备的样品 具有较高的自旋极化率。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 Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜，并且观察到低温磁电阻效应，证明具有较高的自旋极化率。

本发明制备的具有低温磁电阻效应的外延薄膜材料，材料为Ti_0.53Cr_0.47N，在温度为5K 和磁场为50kOe下，磁电阻为6％。

Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜材料的制备方法，方法如下：

本发明在制备Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜时，所采用的基底材料为MgO(100)单晶片。

本发明的具体制备方法是经过如下步骤实现的：

Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜材料的制备方法，方法如下：

1)采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，基 底材料为MgO(100)单晶片，在对向的靶头上安装一对纯度为99.99％的Ti靶，一头作为磁力 线的N极，另一头为S极；Ti靶材厚度为4mm，直径为60mm；为了掺入Cr，在Ti靶的表面 均匀放置Cr片，Cr片的面积为6mm²，Cr片的数量为200片，通过成分分析得到样品中Cr 相对于Cr和Ti原子数总和的原子百分含量为47％；两个靶之间的距离为80mm，靶的轴线与 放有MgO基底材料的样品架之间的距离为80mm；

2)将MgO基底材料通过超声波的方式将表面杂质清除后，将MgO基底材料安装在对向靶连线 的中垂线处的基片架上；

3)开启DPS-III超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，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优于6×10^-6Pa；

4)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，其中Ar气的 流量为50sccm，N₂气的流量为50sccm；

5)将MgO基底材料温度以10℃/秒的速度升至550℃；

6)开启溅射电源，在一对Ti靶上施加0.2A的电流和800V的直流电压，预溅射10分钟， 等溅射电流和电压稳定；

7)打开基片架上的档板开始溅射，MgO基底材料位置固定；

8)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，并且将MgO基底材料温度以5℃/min的降温速率降至室温，然 后关闭真空系统。向真空室充入纯度为99.999％的氮气，打开真空室，取出MgO基底材料上 外延生长的Ti_0.53Cr_0.47N薄膜样品。

本发明所涉及的Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜在自旋电子学器件上具有应用价值，例如在磁性随 机存储器中可以作为自旋注入材料层，并且本发明采用反应溅射法是工业上生产薄膜材料的 方法、靶材选择简单和靶材使用率较高等优点。

为确认本发明最佳的实施方案，我们对本发明所制备的薄膜进行了X射线衍射，磁性质 和电输运特性的测量。

图1给出了本发明中制备的Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜的X射线衍射谱。从图中可以看出，只 出现了Ti_0.53Cr_0.47N(200)和(400)的衍射峰，说明样品为外延生长的薄膜样品。

图2给出了本发明中制备的Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜在15K下的磁化曲线。从图中可以看出， 样品表现为铁磁性。

图3给出了本发明制备的Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜的电阻率随温度的变化关系曲线。从图中 可以看出，在高温处，样品的电阻率随着温度的降低而降低，在120K处出现转变，并在低 温处，出现电阻率随着温度的降低而升高的现象。

图4给出了本发明制备的Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜的5K下的磁电阻随外加磁场的变化关系 曲线。从图中可以看出，样品的磁电阻为6％，并且在50kOe的磁场下仍然未达到饱和。

与其它方法制备的Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜的方法相比，本发明所制备的薄膜具有低温磁电 阻效应，所采用的方法简单实用，有利于在工业生产上的推广。具体如下：

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，与K. Inumaru等人在APPLIED PHYSICS LETTERS 91，152501(2007)和PHYSICAL REVIEW B 78，052406 (2008)上报道的脉冲激光沉积和化学方法相比，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Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜的X射线衍射谱。

图2给出了本发明中制备的Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜在15K下的磁化曲线。

图3给出了本发明制备的Ti_0.53Cr_0.47N外延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Ti_0.53Cr_0.47N外延薄膜的5K下的磁电阻随外加磁 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，下面将对向靶反应溅射方法 制备Ti_0.53Cr_0.47N外延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DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜 机，基底材料为MgO(100)单晶片，在对向的靶头上安装一对纯度为99.99％的Ti靶，一头作 为磁力线的N极，另一头为S极；Ti靶材厚度为4mm，直径为60mm；为了掺入Cr，在Ti靶 的表面均匀放置Cr片，Cr片的面积为6mm²，Cr片的数量为200片，通过成分分析得到样品 中Cr相对于Cr和Ti原子数总和的原子百分含量为47％；两个靶之间的距离为80mm，靶的 轴线与放有MgO基底材料的样品架之间的距离为80mm；

2、将MgO基底材料通过超声波的方式将表面杂质清除后，将MgO基底材料安装在对向靶 连线的中垂线处的基片架上；

3、开启DPS-III超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，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优于6×10^-6Pa；

4、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，其中Ar 气的流量为50sccm，N₂气的流量为50sccm；

5、将MgO基底材料温度以10℃/秒的速度升至550℃；

6、开启溅射电源，在一对Ti靶上施加0.2A的电流和800V的直流电压，预溅射10分 钟，等溅射电流和电压稳定；

7、打开基片架上的档板开始溅射，MgO基底材料位置固定；

8、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，并且将MgO基底材料温度以5℃/min的降温速率降至室温， 然后关闭真空系统。向真空室充入纯度为99.999％的氮气，打开真空室，取出MgO基底材料 上外延生长的Ti_0.53Cr_0.47N薄膜样品。

我们对本发明所制备的薄膜进行了X射线衍射，磁性质和电输运特性的测量，结果如图 1、2、3、4所述。