[发明专利]一种钛酸钡基磁性薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，主要涉及到一种新型的具有室温铁电、铁磁性的BaTiO₃(以下简称BTO)基磁性薄膜材料及其制备方法。

背景技术

稀磁半导体(DMS)薄膜材料由于同时利用电子的电荷属性和自旋属性，具有优异的磁、磁光、磁电性能，使其在磁感应器、高密度存储器、光隔离器、半导体激光器，特别是自旋电子学领域有着广阔的应用前景，成为材料领域中新的研究热点。据此开发基于电子的电荷和自旋特性同时来工作的高性能的自旋电子器件，它具有速度快、体积小、能耗低等优点，使得信息存储和信息处理就能同时进行，从而使设备结构大大简化，功能得到增强。利用稀磁半导体的特殊性能，已经设计并成功制备出自旋场效应管(spin-FETs)，自旋光发射二极管(spin-LEDs)等器件。

早期研究较多的磁性半导体材料，如铕(Eu)的硫族化物，由于居里温度远远低于室温而不具有实际的应用价值。此后，国际上开始着力于研究氧化物基DMS薄膜，例如在ZnO、TiO₂、SnO₂等体系，2001年，首先发现的具有室温铁磁性的是Co掺杂的TiO₂体系薄膜，这种薄膜在300K时的饱和磁矩可以达到0.32μB/Co，居里温度高于400K，在ZnO等更多居里温度高于室温的氧化物基稀磁半导体体系被报道之后，科学家们随后又将焦点集中在钙钛矿型化合物(ABO₃)稀磁半导体的研究，试图获得铁电性、铁磁性复合的薄膜。HiroyukiNakayama等人对过渡族元素掺杂BTO(钙钛矿型化合物的一种)的磁性能进行了理论预测，指出对BTO体系进行Cr，Fe，Mn掺杂可以实现铁磁性。随后，Y.G.Zhao等人首先通过实验验证了在钙钛矿型化合物中掺杂过渡族金属元素得到稀磁半导体的可能，利用PLD方法生长出的Co掺杂(La，Sr)TiO₃薄膜具有室温铁磁性，居里温度达到了450K。对于钙钛矿型化合物体系来讲，由于自身结构特点，四方晶系，c轴略有拉长，在室温下是一种优异的铁电-压电材料，常被用于铁电存储器等电子器件中。而如果在保持钙钛矿型化合物体系铁电性的同时，又将铁磁性引入，则铁电铁磁性能复合的体系更有着广泛的应用领域，因此研究寻求新的钙钛矿型DMS材料体系，将有着重要理论和实际意义。

本发明是材料科学领域中，一种钛酸钡基磁性薄膜及其制备技术。本发明的目的是采用激光沉积方法(PLD)，在SrTiO₃单晶衬底上制备掺杂过渡族金属离子(如Mn、Co)的BTO薄膜，获得室温铁电性、铁磁性复合薄膜材料。这种薄膜材料在室温下具有铁电和铁磁性，室温铁电和铁磁性的大小可以通过改变掺杂的过渡族金属的种类、掺杂浓度、膜厚等来调节。该技术具有设备简单，易控制，重复性强，适用于制备多功能磁性薄膜材料等特点。

发明内容

本发明采用激光沉积方法(PLD)，来制备过渡族金属元素掺杂的BTO基磁性薄膜材料，样品的制备过程主要分为两个部分：靶材烧制和薄膜沉积，关键的工艺参数主要是靶材的成分、配比和薄膜的沉积时间三个，以此来调控薄膜的性能。

本发明提出的一种钛酸钡基磁性薄膜材料，其特征在于：所述薄膜材料以BaTiO₃薄膜为基体，在其中掺入过渡族金属元素离子，所述薄膜材料的原子摩尔比为Ti 95-99.5％，过渡族金属原子0.5-5％。

在上述的薄膜材料中，所述过渡族金属原子为Mn和Co。

本发明提出的一种钛酸钡基磁性薄膜材料制备方法，所述制备方法为：

(1)烧制靶材：将碳酸钡、二氧化钛、过渡族金属元素的氧化物按比例进行固相法预烧成相，压片后高温烧结得到PLD所需靶材；

(2)制膜：利用上述靶材，采用脉冲激光沉积PLD方法在单晶SrTiO₃基底上沉积薄膜，激光能量密度保持在1.5J/cm²，动态氧分压保持在100mTorr，沉积温度为800℃，沉积结束后，动态氧分压保持在1000Pa，以5℃/min的速度冷却。

在上述的制备方法中，所述碳酸钡、二氧化钛、过渡族金属元素的氧化物的摩尔比例为(1-x)∶1∶x，x取值范围为0.5％～5％。

在上述的制备方法中，所述靶材预烧温度为1000℃，高温烧结温度为1300℃。

在上述的制备方法中，所述沉积时间0.3～16min。