鈷氧化物基磁性氧化物薄膜及其制備方法和應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種鈷氧化物基磁性氧化物薄膜及其制備方法和應(yīng)用，該磁性氧化物薄膜由第一材料層和第二材料層交替生長而成的超晶格結(jié)構(gòu)組成，其中，所述第一材料層為LaCoO

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
鈷氧化物基磁性氧化物薄膜及其制備方法和應(yīng)用
本專利技術(shù)屬于微電子
，具體涉及鈷氧化物基磁性氧化物薄膜及其制備方法和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
大面積且兼容于硅基半導(dǎo)體的強磁性超薄量子功能材料對開發(fā)下一代納米，甚至亞納米尺寸，高性能自旋電子器件尤為重要。近些年，研究者們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了以Fe3GeTe2和CrI3等為代表的兼具鐵磁性和垂直磁各向異性的范德瓦爾斯二維材料，掀起了低維磁性材料的研究熱潮。過渡金屬氧化物具有耐酸、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性優(yōu)異、空氣穩(wěn)定性好以及可與硅半導(dǎo)體工藝相結(jié)合等優(yōu)勢；同時，該類材料具有多自由度強關(guān)聯(lián)耦合的特性，使其對多種物理場(電場、磁場、光場等)非常敏感。因此，過渡金屬氧化物是下一代高靈敏、低功耗、多功能電子器件的理想材料。然而，目前大多數(shù)磁性氧化物薄膜面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是當(dāng)其厚度小于“磁性死層”的臨界厚度(約4至5個原胞層)時，薄膜樣品的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度急劇減小，同時它的飽和磁化強度也大幅減弱，甚至磁性完全消失。這一現(xiàn)象從根本上局限了過渡金屬氧化物超薄膜在微納磁性功能器件中的應(yīng)用。鈣鈦礦型鈷氧化物(LaCoO3)具有豐富的自旋態(tài)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。雖然本征塊材不具有長程有序的自旋排列，但是在受到襯底施加的張應(yīng)力作用下，LaCoO3薄膜卻表現(xiàn)出反常的鐵磁絕緣特性。近兩年，有研究者利用單晶襯底的表面臺階具有的面內(nèi)二重旋轉(zhuǎn)對稱性實現(xiàn)了LaCoO3薄膜準一維鐵彈結(jié)構(gòu)和磁各向異性的精準調(diào)控，并通過極化中子反射譜研究了可逆晶格畸變導(dǎo)致的磁性變化。隨后該研究團隊又探索了不同薄膜厚度和不同外延應(yīng)力作用下，LaCoO3薄膜軌道序和自旋態(tài)對宏觀磁性的非線性調(diào)控效應(yīng)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是針對單原胞層磁性減弱甚至消失的問題，提供一種基于超晶格結(jié)構(gòu)的單原胞層LaCoO3薄膜及其制備方法和應(yīng)用。本專利技術(shù)提供了一種鈷氧化物基磁性氧化物薄膜，所述磁性氧化物薄膜由第一材料層和第二材料層交替生長而成的超晶格結(jié)構(gòu)組成，其中，所述第一材料層為LaCoO3，所述第二材料層為SrCuO2。根據(jù)本專利技術(shù)提供的磁性氧化物薄膜，其中，所述第一材料層的厚度可以為0.4～10nm，優(yōu)選為0.4～5nm，更優(yōu)選為0.4～1nm；所述第二材料層的厚度可以為0.4～10nm，優(yōu)選為0.4～5nm，更優(yōu)選為0.4～1nm。在本專利技術(shù)提供的磁性氧化物薄膜中，所述超晶格結(jié)構(gòu)可以包括多個超晶格周期，每個超晶格周期包括相鄰設(shè)置的第一材料層與第二材料層。本專利技術(shù)對所述超晶格周期的數(shù)量沒有特別的限制，可以根據(jù)需要設(shè)置任意數(shù)量的超晶格周期，例如，1～100個，如1個、2個、3個、5個、10個、15個、20個、50個等等。在本專利技術(shù)提供的磁性氧化物薄膜中，所述多個超晶格周期包括第一超晶格周期、第二超晶格周期、……第P超晶格周期(P為大于2的整數(shù))；其中第一超晶格周期的第一材料層的厚度、第二超晶格周期的第一材料層的厚度、……第P超晶格周期的第一材料層的厚度可以相同或不同，并且第一超晶格周期的第二材料層的厚度、第二超晶格周期的第二材料層的厚度、……第P超晶格周期的第二材料層的厚度可以相同或不同。根據(jù)本專利技術(shù)提供的磁性氧化物薄膜，優(yōu)選地，所述磁性氧化物薄膜生長于單晶襯底上，所述單晶襯底可選擇但不僅限于：鈦酸鍶(SrTiO3)、鑭鍶鋁鉭氧[(La,Sr)(Al,Ta)O3]、鋁酸鑭(LaAlO3)、鎵酸釹(NdGaO3)、鈧酸鏑(DyScO3)等晶格常數(shù)與LaCoO3或SrCuO2相近的單晶襯底。本專利技術(shù)提供的磁性氧化物薄膜可以表示為：[(LaCoO3)m/(SrCuO2)n]p，其中m為LaCoO3薄膜原胞層數(shù)，n為SrCuO2薄膜原胞層數(shù)，p為超晶格周期數(shù)。其中，每個超晶格周期中的LaCoO3層和SrCuO2層的原胞層數(shù)，即m和n值，可以薄至單原胞層厚度(～0.4nm)，厚至幾十甚至幾百原胞層(10nm以上)。本專利技術(shù)還提供了上述磁性氧化物薄膜的制備方法，所述制備方法包括：以塊狀LaCoO3和SrCuO2作為靶材，利用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)在單晶襯底上交替沉積LaCoO3和SrCuO2形成由LaCoO3層和SrCuO2層構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)。圖1為所述磁性氧化物薄膜的制備流程示意圖。其中，Sub為基底；LCO1為第一周期的LaCoO3層；SCO1為第一周期的SrCuO2層；LCO2為第二周期的LaCoO3層；SCO2為第二周期的SrCuO2層；LCOp為第p周期的SrCuO2層。其中，所述靶材可以購買也可自制。以LaCoO3為例簡要說明靶材制備過程：將氧化鈷(CoO)粉末與氧化鑭(LaO)粉末充分混合，高溫預(yù)燒后壓成圓柱狀靶材，并再次施加高溫高壓二次燒結(jié)，自然降溫至室溫，即可得到塊狀LaCoO3靶材(本文中也稱作LaCoO3陶瓷)。根據(jù)本專利技術(shù)提供的制備方法，其中，沉積的溫度可以為500～800℃。在一種優(yōu)選的實施方式中，沉積過程中的氧分壓為0.001～1Torr。在一種優(yōu)選的實施方式中，所述脈沖激光沉積的激光能量密度為0.5～3J/cm2。在一種優(yōu)選的實施方式中，所述脈沖激光沉積的激光頻率為2～10Hz。在一種優(yōu)選的實施方式中，沉積過程中的升溫和降溫速率分別為5～20℃/min；優(yōu)選地，升溫和降溫過程中的氧分壓為0.001～1Torr。根據(jù)本專利技術(shù)提供的制備方法，其中，通過激光脈沖數(shù)及生長氧分壓控制所述超晶格結(jié)構(gòu)中LaCoO3及SrCuO2層的厚度。在固定的氧分壓下，薄膜厚度與激光脈沖數(shù)呈線性關(guān)系。本專利技術(shù)還提供了所述磁性氧化物薄膜在光泵浦和電流驅(qū)動的超薄自旋軌道轉(zhuǎn)矩器件中的應(yīng)用。本專利技術(shù)的磁性氧化物薄膜具有以下有益效果：(1)本專利技術(shù)制備得到的[(LaCoO3)m/(SrCuO2)n]p超晶格結(jié)構(gòu)結(jié)晶質(zhì)量高、化學(xué)組分配比穩(wěn)定。制備過程相對簡單，利用脈沖激光沉積技術(shù)，可控性強，重復(fù)率高，不受外界環(huán)境(例如溫度、濕度、氧氣等)的影響。(2)通過控制激光脈沖數(shù)，可精確控制[(LaCoO3)m/(SrCuO2)n]p超晶格原胞層數(shù)，即m和n值，薄至單原胞層厚度(～0.4nm)，厚至幾十甚至上百原胞層(如5nm以上)。同時，超晶格結(jié)構(gòu)依然具有優(yōu)異的質(zhì)量。(3)通過控制激光脈沖數(shù)，可精確控制[(LaCoO3)m/(SrCuO2)n]p超晶格的重復(fù)周期數(shù)，即p值，將界面效應(yīng)產(chǎn)生的磁性進一步增強。(4)所制備的[(LaCoO3)m/(SrCuO2)n]p超晶格結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了LaCoO3單原胞層厚度(～0.4nm)、強磁性(～0.5μB/Co)和高居里溫度(～75K)的超薄膜，突破了單原胞層磁性氧化物難以在功能器件中應(yīng)用的瓶頸。(5)可制備于不同材料的襯底上，且依然保持良好的結(jié)晶性。附圖說明以下，結(jié)合附圖來詳細說明本專利技術(shù)的實施方案，其中：圖1為本專利技術(shù)磁性氧化物薄膜的制備流程示意圖；圖2為本專利技術(shù)實施例1制得的含有單原胞層LaCoO3的[(LaCoO3)1/(SrCuO2)8]15超晶格結(jié)構(gòu)的高分辨透射電鏡圖(右側(cè))，和相應(yīng)的超晶格結(jié)構(gòu)的示意本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
1.一種鈷氧化物基磁性氧化物薄膜，該磁性氧化物薄膜由第一材料層和第二材料層交替生長而成的超晶格結(jié)構(gòu)組成，其中，所述第一材料層為LaCoO

【技術(shù)特征摘要】
1.一種鈷氧化物基磁性氧化物薄膜，該磁性氧化物薄膜由第一材料層和第二材料層交替生長而成的超晶格結(jié)構(gòu)組成，其中，所述第一材料層為LaCoO3，所述第二材料層為SrCuO2。


2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性氧化物薄膜，其中，所述第一材料層的厚度為0.4～10nm，優(yōu)選為0.4～5nm，更優(yōu)選為0.4～1nm；所述第二材料層的厚度為0.4～10nm，優(yōu)選為0.4～5nm，更優(yōu)選為0.4～1nm。


3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁性氧化物薄膜，其中，所述磁性氧化物薄膜生長于單晶襯底上，優(yōu)選地，所述單晶襯底選自鈦酸鍶、鑭鍶鋁鉭氧、鋁酸鑭、鎵酸釹和鈧酸鏑中的一種。


4.權(quán)利要求1至3中任一項所述的磁性氧化物薄膜的制備方法，所述制備方法包括：以塊狀LaCoO3和SrCuO2作為靶材，利用脈沖激光沉積技術(shù)在單晶襯底上交替沉積LaCoO3和SrCuO2形成由LaCoO3層和SrCuO...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：金奎娟，郭爾佳，金橋，林珊，陳爽，陳盛如，祁明群，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11