[发明专利]一种高熵钙钛矿氧化物薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种高熵钙钛矿氧化物薄膜材料及其制备方法。本发明首先制备得到一种新型的磁性材料为La(Cr_0.2Mn_0.2Fe_0.2Co_0.2Ni_0.2)O₃(L5BO)，其借助各序参量之间的耦合效应有潜力实现更为丰富、新颖的物理特征；然后，以L5BO高熵金属氧化物陶瓷靶材，借助脉冲激光沉积技术在SrTiO₃(STO)单晶衬底上生长L5BO薄膜。本发明得到质量良好的单晶高熵钙钛矿型氧化物外延薄膜。本发明首次在单晶纯相的氧化物外延薄膜中实现磁滞回线在垂直方向的位移调控，在磁性器件中有巨大的应用潜力。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种高熵钙钛矿氧化物薄膜材料及其制备方法。

背景技术

钙钛矿氧化物薄膜材料由于具有丰富的物理内涵及广泛的应用场景，长久以来吸引了大量研究人员的关注。基于钙钛矿氧化物薄膜材料的自旋阀、磁隧道结等一系列器件构成了现代众多电子设备的基础，因此优化现有的材料性能和开发新的材料体系对于拓展钙钛矿氧化物薄膜材料的应用、推动电子设备的迭代更新有重要意义。调控钙钛矿氧化物薄膜材料性能的常见手段主要有应变调控、改变薄膜生长气氛以及元素掺杂等。其中应变调控是通过选择合适的衬底对外延生长的钙钛矿氧化物薄膜施加外延应力，驱动晶体场分裂，改变磁性离子自旋状态，从而调控磁性能；改变薄膜生长气氛是指调节薄膜外延生长过程中的背景气体的种类及压强大小，从而改变薄膜中离子的价态、载流子浓度，进而调控薄膜的磁性；元素掺杂是指在钙钛矿氧化物基体材料中掺杂引入其它元素，根据需求选择掺杂元素的种类及比例，如掺入磁性元素或者施主受主元素，从而改变离子的磁耦合结构。

调控钙钛矿氧化物薄膜材料的现有手段中应变调控通常需要特定的衬底来提供合适的应力，因此对于不同的钙钛矿氧化物薄膜材料需要借助不同的衬底，并且随着薄膜厚度变化应变状态也会随之改变；改变薄膜生长气氛对于不同的材料可能需要不同种类的背景气体甚至混合气体，此外改变生长气氛可能会同时改变薄膜的外延生长质量，导致表面粗糙度或者结晶性恶化；元素掺杂改性的方法操作简单，但掺杂比例过大容易导致第二相析出，反而使得材料性能恶化，因此目前大多采用单一元素以小比例掺杂。总体而言上述方法改性效果有限。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明开发新的方法来制备一种高熵钙钛矿氧化物薄膜材料，具有良好的外延生长性和新颖的磁性特征，在磁性器件的开发上有巨大的应用潜力。

本发明选择了ABO₃型钙钛矿氧化物磁性材料为基体材料，这是由于它们具备外延生长性良好、磁性较强等优点，且大部分ABO₃型钙钛矿氧化物属于强关联电子体系，其具有本征的自旋、电荷、晶格、轨道序参量的耦合，即只要其中一种序参量发生变化，其他序参量都会产生非线性的相应变化，有利于实现新颖的磁性特征。在基体材料中以等摩尔比掺杂混合多种磁性过渡金属元素，使得占据B位的金属元素种类达到5种或5种以上，此时会产生较大的混合熵，促使相同的热力学温度下混合后系统的吉布斯自由能较低，从而能够以单相的形式稳定存在。多种磁性过渡金属元素的引入可以保证基体材料具有足够的磁性。高熵的引入会显著提高体系的无序度，并调控其本征的序参量，借助各序参量之间的耦合，可以很大程度地提高高熵ABO₃型钙钛矿氧化物出现奇异物理性能的可能性。

本发明首先采用固相反应法合成制备得到一种新型的磁性材料为La(Cr_0.2Mn_0.2Fe_0.2Co_0.2Ni_0.2)O₃(L5BO)。然后，以L5BO高熵金属氧化物陶瓷靶材，借助脉冲激光沉积技术在SrTiO₃(STO)单晶衬底上生长44～48nm厚度的L5BO薄膜。

本发明通过以下技术方案来实现，包括: