CN100386470C - 一种钙钛矿结构镧锶锰氧半金属薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种采用新型渠道火花烧蚀法(Channel Spark Ablation，CSA)制备钙钛矿结构镧锶锰氧(La0.7Sr0.3MnO3，LSMO)薄膜的方法。本发明以LaAlO3(001)单晶基片为基板，在700-850℃的基板温度下通过渠道火花烧蚀技术，利用La0.7Sr0.3MnO3陶瓷靶在适当的氧气压、基板温度、脉冲电流和脉冲电压下，生长具有高度c轴取向性的La0.7Sr0.3MnO3薄膜。所制备的薄膜具有高于室温的居里温度，在室温下具有良好的电学性能和铁磁性能。本发明方法所获得的薄膜在自旋电子器件中具有良好的应用潜能。
Description
技术领域
本发明属于磁性薄膜技术领域，具体涉及一种应用新型渠道火花烧蚀技术(ChannelSpark Ablation，CSA)制备具有高度c轴取向生长的半金属镧锶锰氧(La0.7Sr0.3MnO3，LSMO)铁磁薄膜的方法。
背景技术
半金属薄膜材料以在居里温度以下对自旋向上电子呈现金属性和自旋向下电子呈现绝缘性为特征。因此费米能级处的电子态密度100％自旋极化。高自旋极化率磁性材料因具有在非易失性磁随机存储器，磁性传感器以及自旋场效应晶体管等方面的潜在应用前景而备受人们关注。钙钛矿结构锰化物R1-x AxMnO3是广为研究的一种半金属材料，其中R多为La，La3+离子被二价的碱土族元素离子如Sr2+，Ca2+ and Ba2+等替代。这类化合物具有较高的自旋极化率。
早期研究较多的半金属和巨磁阻钙钛矿锰化物主要是La1-xCaxMnO3(LCMO)。然而这种化合物的居里温度Tc在250K附近，这极大地阻碍了其在工业上应用的可能。La1-xSrxMnO3(LSMO)材料具有高于室温的居里温度Tc(～350K)，因此，研究如何制备具有高电学性能和磁学性能的LSMO薄膜对磁性薄膜材料的工业应用具有重要的研究意义。
渠道火花烧蚀法(CSA)同脉冲激光烧蚀法(Pulsed Laser Deposition，PLD)方法类似，均是基于烧蚀镀膜的过程，即把一个很高的能量瞬间转移到靶材表面的很小部位，造成其温度高于升华限制，这样靶材就被烧蚀出来并利用剩余的动能运动到基板表面而沉积形成薄膜。CSA具有与PLD同样的有效性和普适性，但操作上更为简单，设备更为低廉。
因此，研究如何采用CSA技术制备出高质量的LSMO薄膜由于具有很大的应用价值，成为该领域的研究目标。
发明内容
本发明的目的在于提出一种操作简便，设备价格相对低廉，具有大规模生产潜能的制备高质量半金属钙钛矿结构薄膜(LSMO)的新方法。
本发明提出的制备La0.7Sr0.3MnO3半金属薄膜的方法，是利用基于脉冲电子束的新型渠道火花烧蚀技术制备钙钛矿结构La0.7Sr0.3MnO3薄膜。本发明是以化学计量配比的La0.7Sr0.3MnO3陶瓷靶为靶材，在LaAlO3晶向为(001)基片上生长La0.7Sr0.3MnO3薄膜。工作气体为O2，气压维持在2.0～2.5Pa，基板温度控制在700～850℃，高压直流功率输出电源设定工作电压为-15～-19KV，工作电流为3.0～6.0mA，脉冲电子束重复频率为2.0～3.0Hz，沉积时间0.5～30分钟以后，制备得到具有钙钛矿结构的10-800nm厚的La0.7Sr0.3MnO3薄膜。
本发明所制备的薄膜厚度为50～500nm。可根据需要，通过控制薄膜沉积时间、脉冲电子束重复频率以及直流功率输出电源工作电压和工作电流的大小来实现对薄膜厚度的控制。
本发明更好的制备条件如下：
本发明中，基板温度为750-850℃。
本发明中，O2工作气体的气压为2.0-2.5Pa。
本发明中，渠道火花烧蚀技术镀膜时，沉积条件为：高压直流功率输出电源设定工作电压为-16～-18KV，工作电流为3.0～5.0mA，脉冲电子束重复频率为2.0～2.5Hz，镀膜沉积时间0.5～10分钟。
本发明中，通过可变气导阀和流量计将O2气通入反应室，是真空制备薄膜的现有技术。
本发明方法制得的钙钛矿结构半金属La0.7Sr0.3MnO3薄膜厚度为10-800nm，可根据需要，通过沉积时间来控制膜厚。
实验结果表明，采用CSA技术在LaAlO3(001)基片上生长的LSMO薄膜具有高c轴取向性的特点。制备的LSMO薄膜有软磁材料的特性，具有较低的矫顽力，在较低的磁场下就出现饱和，这些与PLD方法制备的LSMO薄膜相似。薄膜的电阻率较低，接近于PLD方法制备的外延生长LSMO薄膜。本发明中所采用的CSA技术设备价格相对低廉，操作简单，可制备与PLD技术相比拟的高质量半金属LSMO薄膜。
附图说明
图1是本发明方法制备的LSMO薄膜的X射线衍射谱图。
图2是本发明方法制备的LSMO薄膜在平行于薄膜平面的外加磁场下的磁滞回线图。
图3是本发明方法制备的LSMO薄膜的电子态密度与能量的关系曲线图。
具体实施方式
本发明的具体实施步骤如下：
实施例1，按传统的陶瓷靶制备方法制备了严格的化学剂量配比的La0.7Sr0.3MnO3圆形靶，靶直径为17mm，厚度2mm。靶表面和石英导管间距固定为4mm。石英导管内径为2mm。基片LaAlO3(001)双面抛光，并先后经过去离子水、丙酮和酒精超声波清洗各20分钟。薄膜沉积前真空室本底压强为2.0×10-3Pa。
用Bronkhorst公司的质量流量计控制O2流量使工作气压为2.0Pa，用红外灯管加热基板并维持基板温度为824℃，HCL 140-20000型高压直流功率输出电源设定工作电压和电流分别为-16.0KV和4.8mA，脉冲电子束重复频率是2.4Hz。薄膜沉积时间为10分钟，薄膜厚度为450nm。
实施例2，与实施例1同样的方法，在下述条件下制备LSMO薄膜：工作气压为2.5Pa，基板温度为830℃，工作电压和工作电流分别设定为-18.0KV和3.2mA，脉冲电子束重复频率为1.4～1.6Hz。薄膜沉积时间为20分钟，薄膜厚度为680nm。
采用Kosaka ET3000型表面轮廓仪测量薄膜厚度，在Rigaku D/max-rB型X射线衍射仪(XRD)上采用Cu Kα1(λ＝1.5406
)为光源在10°～80°内扫描得到薄膜的XRD谱。采用在PPMS系统(Quantum Design)上的VSM方法测量室温下薄膜在外加平行磁场下的磁滞回线。采用传统的四探针方法测量薄膜室温时的方块电阻。采用自旋极化扫描探针显微镜测量薄膜的dI/dV谱图，并据此计算薄膜表面的能态密度。
与实施例同样的方法在本发明制备条件的范围内均能获得符合性能要求的薄膜，因此，本发明内容不局限于上述实施例。
Claims (6)
1.一种钙钛矿结构镧锶锰氧即La0.7Sr0.3MnO3半金属薄膜的制备方法，其特征是利用渠道火花烧蚀法制备薄膜，具体制备条件如下：
(1)靶材由按化学剂量配比混合均匀的La0.7Sr0.3MnO3化合物烧结而成；
(2)采用晶向为(001)的LaAlO3单晶作为薄膜基片；维持基板温度在700～850℃；
(3)高压直流功率输出源设定工作电压为-15～-19KV，工作电流为3.0～6.0mA，脉冲电子束重复频率为2.0～3.0Hz，镀膜沉积时间为0.5～30分钟；
(4)将工作气体O2通入真空室，使工作气压为2.0～2.5Pa。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是基板温度是750～850℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是高压直流功率输出电源的工作电压设定为-16～-18KV，工作电流为3.0～5.0 mA。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是脉冲电子束重复频率为2.0～2.5Hz。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是镀膜沉积时间为0.5～10分钟。
6.根据权利要求1所述的制备方法，所获得的钙钛矿结构镧锶锰氧半金属薄膜厚度为10～800nm。
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