一种超薄镧锶锰氧薄膜界面死层的改善方法

摘要

本发明提供了一种超薄镧锶锰氧薄膜界面死层的改善方法，包括如下步骤：（a）对SrTiO3基板进行表面台阶处理，获得具有TiO2表面台阶的基板；（b）采用脉冲激光法在步骤（a）所得的基板上沉积LaAlO3薄膜，使得在LaAlO3/SrTiO3界面出现二维电子气；（c）采用脉冲激光法在步骤（b）所得的LaAlO3/SrTiO3上沉积超薄La0.7Sr0.3MnO3薄膜。本发明首先采用酸将SrTiO3基板处理为具有特定宽度的台阶状态，然后在其上沉积LaAlO3薄膜，使得在界面处形成一层二维电子气，最后再沉积La0.7Sr0.3MnO3薄膜，从而减少甚至除去镧锶锰氧界面死层，该界面死层可通过控制LaAlO3的厚度和生长条件进行调控。本发明制备工艺简单，适用范围广，利于实用化，具有广泛应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化物薄膜界面死层的改善方法，具体地说是涉及一种超薄镧锶锰氧薄膜界面死层的改善方法。

背景技术

锰氧化物薄膜物理性能优异，具有较高的自旋极化率、巨磁电阻、半金属特性等，在场效应管、磁存储器件、微传感器件等集成微电子领域具有广泛的应用前景。在锰氧化物薄膜中，镧锶锰氧由于具有高于室温的居里温度收到研究人员的广泛关注。近二十年中，镧锶锰氧薄膜的制备、性能评价及其物理机制是锰氧化物领域的研究热点之一。然而，随着镧锶锰氧薄膜厚度减小，在界面会出现死层区，在死层区内，薄膜的自旋极化率、居里温度急剧下降甚至消失，这限制了镧锰氧化物薄膜在自旋学电子器件中的应用。

针对薄膜死层的问题，研究人员发现镧锶锰氧界面的死层可能是由于电子相分离、晶体结构改变、轨道重构等原因造成的，利用应力、掺杂等手段可以改善超薄镧锶锰氧薄膜的死层问题，虽然通过应力或掺杂方式可在一定程度上缓解超薄镧锶锰氧死层，但随着锰氧化物结构发生相应变化，薄膜的内秉磁相互作用也随之发生改变，镧锶锰氧的居里温度和自旋极化率受到抑制。此外，应力或掺杂手段的工艺复杂，不利于实际应用。因此，开发一种可简单有效改善镧锶锰氧薄膜死层的方法对于镧锶锰氧自旋学器件的实用化具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是提供一种超薄镧锶锰氧薄膜界面死层的改善方法，以解决现有超薄镧锶锰氧薄膜界面死层改善方法工艺复杂，不能去除界面死层等问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种超薄镧锶锰氧薄膜界面死层的改善方法，包括如下步骤：

（a）对SrTiO₃基板进行表面台阶处理，获得具有TiO₂表面台阶的基板；

（b）采用脉冲激光法在步骤（a）所得的基板上沉积LaAlO₃薄膜，使得在LaAlO₃/SrTiO₃界面出现二维电子气；

（c）采用脉冲激光法在步骤（b）所得的LaAlO₃/SrTiO₃上沉积超薄La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜。

步骤（a）中，首先将SrTiO₃基板分别在无水乙醇、去离子水中超声清洗；然后将清洗后的基板在酸性溶液中浸泡，再放入去离子水中超声清洗，经退火处理后得到具有TiO₂表面台阶的基板。

步骤（a）中，将SrTiO₃基板分别在无水乙醇、去离子水中超声清洗10>2表面台阶的基板，台阶宽度为100>

步骤（b）和（c）中，薄膜沉积的激光能量为1 J/cm²，靶材与基板之间的距离为4.5>

步骤（b）中，在沉积温度为750>-4>3薄膜。

步骤（b）中，所沉积的LaAlO₃薄膜厚度为1~5>

步骤（b）中，沉积LaAlO₃薄膜后，在1200>

步骤（c）中，在沉积温度为750 ℃、氧压为40 Pa的条件下，在LaAlO₃/SrTiO₃基板上沉积La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜。

步骤（c）中，所沉积的La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜厚度为2~4>

本发明首先采用酸将SrTiO₃基板处理为具有特定宽度的原子级别的台阶状态，表面层单胞为TiO₂，然后在其上沉积LaAlO₃薄膜，使得界面处形成一层二维电子气，最后再沉积La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜，从而减少甚至除去镧锶锰氧界面死层，该界面死层可通过控制LaAlO₃的厚度和生长条件进行调控。在制备器件的过程中，采用LaAlO₃作为界面层，可去除镧锶锰氧薄膜界面的死层，满足自旋学器件的要求。本发明制备工艺简单，适用范围广，利于实用化，具有广泛应用前景。

附图说明

图1为对比例1所制备La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的归一化磁化强度随温度变化的曲线。

图2为对比例2所制备La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的归一化磁化强度随温度变化的曲线。

图3为对比例3所制备La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的归一化磁化强度随温度变化的曲线。

图4为实施例1中经处理后的SrTiO₃基板表面台阶的形貌图。

图5为实施例1所制备LaAlO₃薄膜和La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的X射线衍射谱图，其中，所附插图为2θ>3的缩写，LAO为LaAlO₃的缩写，LSMO为La_0.7Sr_0.3MnO₃的缩写。

图6为实施例1所制备La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的归一化磁化强度随温度变化的曲线。

图7为实施例2所制备 La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的归一化磁化强度随温度变化的曲线。

图8为实施例3所制备La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的归一化磁化强度随温度变化的曲线。

图9为实施例4所制备La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的归一化磁化强度随温度变化的曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的超薄镧锶锰氧薄膜界面死层的改善方法作进一步详细说明。

下述实施例中所用试剂均为分析纯或化学纯，且均可市购或通过本领域普通技术人员熟知的方法制备。下述实施例均实现了本发明的发明目的。

对比例1

将SrTiO₃>2台阶宽度的基板。

将处理后的基板安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，设定靶材与基板之间的距离为4.5 cm，调整脉冲激光的能量与聚焦镜的位置，确保激光轰击在靶材上的能量密度为1 J/cm²，在沉积温度为750>-4 Pa的条件下，在处理后的SrTiO_{3>(001)基板上沉积厚度为2 nm的La0.7Sr0.3MnO3薄膜。}

利用超导量子干涉仪对La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的磁性能进行表征，图1示出了该薄膜的归一化磁化强度随温度的变化曲线，从图1中可以看出，La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜在低温下具有铁磁性能，居里温度为120>

对比例2

在对比例1的基础上，仅改变La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的沉积厚度，其他工艺条件与对比例1相同，在处理后的SrTiO_{3>(001)基板上沉积厚度为4 nm的La0.7Sr0.3MnO3薄膜。}

利用超导量子干涉仪对La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的磁性能进行表征，图2示出了该薄膜的归一化磁化强度随温度的变化曲线，从图2中可以看出，La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜在低温下具有铁磁性能，居里温度为170>

对比例3

将LaAlO₃>3>(001)基板加热至1200>

将所得基板安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，设定靶材与基板之间的距离为4.5 cm，调整脉冲激光的能量与聚焦镜的位置，确保激光轰击在靶材上的能量密度为1 J/cm²，在沉积温度为750>3>0.7Sr_0.3MnO₃薄膜。

利用超导量子干涉仪对La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的磁性能进行表征，图3示出了该薄膜的归一化磁化强度随温度的变化曲线，从图3中可以看出，La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜在低温下具有铁磁性能，居里温度为140>

实施例1

将SrTiO₃>2台阶宽度的基板，其表面形貌如图4所示。

将处理后的基板安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，设定靶材与基板之间的距离为4.5 cm，调整脉冲激光的能量与聚焦镜的位置，确保激光轰击在靶材上的能量密度为1 J/cm²，在沉积温度为750>-4 Pa的条件下，在处理后的SrTiO₃(001)基板上沉积厚度为3>3薄膜层，得到LaAlO₃/SrTiO_{3>(001)样品，并原位高温1200 ℃退火处理。退火后，按照沉积LaAlO3薄膜层的条件，只改变氧分压为40>3}/SrTiO_{3>(001)样品上沉积一层厚度为2 nm的La0.7Sr0.3MnO3薄膜。}

所得样品的结构为La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜生长于LaAlO₃薄膜上，所得样品的X射线衍射谱图如图5所示，从图中可以看出，LaAlO₃薄膜和La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜均沿（001）面的晶体取向外延生长。利用超导量子干涉仪对La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的磁性能进行表征，图6示出了该薄膜的归一化磁化强度随温度的变化曲线。从图6中可以看出，La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜具有铁磁性能，居里温度为304>3基板上样品的居里温度120>

实施例2

将SrTiO₃>2台阶宽度的基板。

将处理后的基板安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，设定靶材与基板之间的距离为4.5 cm，调整脉冲激光的能量与聚焦镜的位置，确保激光轰击在靶材上的能量密度为1 J/cm²，在沉积温度为750>-4 Pa的条件下，在处理后的SrTiO₃(001)基板上沉积厚度为3>3薄膜层，得到LaAlO₃/SrTiO_{3>(001)样品，并原位高温1200 ℃退火处理。退火后，按照沉积LaAlO3薄膜层的条件，只改变氧分压为40>3}/SrTiO_{3>(001)样品上沉积一层厚度为3 nm的La0.7Sr0.3MnO3薄膜。}

利用超导量子干涉仪对La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的磁性能进行表征，图7示出了该薄膜的归一化磁化强度随温度的变化曲线。从图7中可以看出，La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜具有铁磁性能，居里温度为310>

实施例3

将SrTiO₃>2台阶宽度的基板。

将处理后的基板安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，设定靶材与基板之间的距离为4.5 cm，调整脉冲激光的能量与聚焦镜的位置，确保激光轰击在靶材上的能量密度为1 J/cm²，在沉积温度为750>-4 Pa的条件下，在处理后的SrTiO₃(001)基板上沉积厚度为5>3薄膜层，得到LaAlO₃/SrTiO_{3>(001)样品，并原位高温1200 ℃退火处理。退火后，按照沉积LaAlO3薄膜层的条件，只改变氧分压为40>3}/SrTiO_{3>(001)样品上沉积一层厚度为4 nm的La0.7Sr0.3MnO3薄膜。}

利用超导量子干涉仪对La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的磁性能进行表征，图8示出了该薄膜的归一化磁化强度随温度的变化曲线，从图8中可以看出，La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜具有铁磁性能，居里温度为305>3基板上样品的居里温度170>3基板上样品的居里温度140>

实施例4

将SrTiO₃>2台阶宽度的基板。

将处理后的基板安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，设定靶材与基板之间的距离为4.5 cm，调整脉冲激光的能量与聚焦镜的位置，确保激光轰击在靶材上的能量密度为1 J/cm²，在沉积温度为750>-4 Pa的条件下，在处理后的SrTiO_{3>(001)基板上沉积厚度为1>3}薄膜层，得到LaAlO₃/SrTiO_{3>(001)样品，并原位高温1200 ℃退火处理。退火后，按照沉积LaAlO3薄膜层的条件，只改变氧分压为40>3}/SrTiO_{3>(001)样品上沉积一层厚度为4 nm的La0.7Sr0.3MnO3薄膜。}

利用超导量子干涉仪对La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的磁性能进行表征，图9示出了该薄膜的归一化磁化强度随温度的变化曲线，从图9中可以看出，La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜具有铁磁性能，居里温度为275>3基板上样品的居里温度170>3基板上样品的居里温度140>

上述实施例和对比例仅为说明本发明，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。