调控并增强LSMO薄膜磁各向异性的方法、磁各向异性可调的LSMO薄膜及其制备方法与流程

调控并增强lsmo薄膜磁各向异性的方法、磁各向异性可调的lsmo薄膜及其制备方法
技术领域
1.本发明属于磁性材料技术领域，具体涉及调控并增强la
2/3
sr
1/3
mno32.(lsmo)薄膜磁各向异性的方法、磁各向异性可调的lsmo薄膜及其制备方法。


背景技术：

3.磁性材料被广泛应用于现代电子工业。磁各向异性作为磁性材料的重要参量之一，在宏观上表现为磁化轴的择优取向，在不同方向上有“难”、“易”之分，在现代磁学应用研究领域占有相当的比例，尤其是在信息存储和记录方面。因此，在磁性材料中调控磁各向异性性质以及提高磁各向异性能，不论是在基础研究还是工业应用方面都显得极为重要。
4.过渡金属钙钛矿氧化物具有丰富的磁性，是研究磁各向异性的理想材料。
5.在薄膜和异质结构中，通过改变过渡金属阳离子和氧离子之间的化学键(m
-ꢀ
o-m)(包括键长和键角)可以调控配位场环境，进而调控磁各向异性。例如，在 2000年tsui f.等利用衬底应力调控la
0.67
sr
0.33
mno3薄膜的mn-o键长，调节 mno6氧八面体的变形(oxygen octahedral deformation,ood)实现了易磁轴在面内和面外之间的切换。2016年liao z.等人通过在la
0.67
sr
0.33
mno3薄膜和衬底间插入缓冲层调节mn-o-mn键角，调节mno6氧八面体的旋转(oxygenoctahedral rotation,oor)实现了易磁轴在面内的转变。
6.自旋轨道耦合(spin-orbit coupling,soc)作用是影响磁各向异性的另外一个关键因素，可利用具有强soc作用的材料增强过渡金属钙钛矿氧化物的磁各向异性。


技术实现要素：

7.针对上述技术现状，本发明人在研究lsmo薄膜的磁各向异性时，发现在 lsmo薄膜中将自旋轨道耦合(soc)作用以及氧八面体的旋转(oor)相结合，能够调控lsmo薄膜的磁各向异性，并且提高lsmo薄膜的磁各向异性能。
8.本发明提供的技术方案为：
9.一种调控并增强lsmo薄膜磁各向异性的方法，其特征是：在lsmo薄膜层之间插入材料a，形成lsmo-a界面，所述材料a具有磁各向异性与强soc 作用，并且材料a的易磁轴方向与lsmo的易磁轴方向不同；并且，将材料b 插入材料a层内部，形成a-b界面，通过选择材料b调控材料a磁各向异性是否变化，从而调控lsmo薄膜磁各向异性，具体如下：
10.当材料b使材料a中oor发生变化，从而实现材料a易磁轴方向变化为与lsmo的易磁轴方向相同，则在lsmo-a界面，lsmo的易磁轴方向保持，未发生变化；
11.当材料b未使材料a中oor发生变化，因此材料a易磁轴方向未发生变化，则在lsmo-a界面，材料a的强自旋轨道耦合作用和磁各向异性使lsmo 易磁轴方向发生变化。
12.所述材料a不限，包括sriro3(sio)、ca
0.5
sr
0.5
iro3(csio)等。
13.所述材料b不限，包括srtio3(sto)、catio3(cto)等。
14.lsmo易磁轴方向为[110]方向。
[0015]
当材料a选择sio，材料b选择sto时，形成lsmo/sio/sto/sio/lsmo 结构。该lsmo/sio/sto/sio/lsmo结构中，易磁轴方向为[110]方向。在sio
-ꢀ
sto界面，由于超薄sio的iro6八面体具有旋转，无tio6八面体旋转的sto 改变了超晶格中sio的iro6八面体旋转，导致sio表现出磁各向同性，因此在 lsmo-sio界面，sio未能导致lsmo易磁轴方向发生变化，lsmo易磁轴方向保持为[110]方向。并且，与单层lsmo的磁各向异性能相比，该 lsmo/sio/sto/sio/lsmo结构的磁各向异性能显著增大。
[0016]
当材料a选择sio，材料b选择cto时，形成lsmo/sio/cto/sio/lsmo 结构。该lsmo/sio/cto/sio/lsmo结构中，易磁轴方向为[100]方向。在sio
-ꢀ
sto界面，cto的tio6八面体与sio的iro6八面体旋转模式一致，没有改变超晶格中sio的iro6八面体旋转，未能导致sio易磁轴方向发生变化，仍然为[100] 方向，因此在lsmo-sio界面，sio易磁轴方向与lsmo易磁轴方向不一致，再加上sio的强自旋轨道耦合作用，导致lsmo易磁轴方向变为[100]方向。并且，与单层lsmo的磁各向异性能相比，该lsmo/sio/cto/sio/lsmo结构的磁各向异性能显著增大。
[0017]
与现有技术相比，本发明通过结构设计，利用自旋轨道耦合(soc)作用和 oor相结合，实现了对lsmo薄膜的易磁轴方向的调控，从而实现了调控lsmo 薄膜的磁各向异性，丰富了调控磁各向异性的材料选择和技术路径，有利于开发基于磁性氧化物新型自旋电子器件，例如磁存储器、逻辑器件等。并且，与纯 lsmo薄膜相比，该结构设计的lsmo薄膜的磁各向异性能显著增强。
[0018]
本发明还提供了一种磁各向异性可调的lsmo薄膜，由至少一个周期单元层叠组成，每个周期单元呈多层结构；沿着周期单元的层叠方向，每个周期单元依次是lsmo子层、材料a层、材料b层、材料a层以及lsmo薄膜层；
[0019]
材料a具有磁各向异性和强soc作用，并且材料a的易磁轴方向与lsmo 的易磁轴方向不同；并且，材料b与材料a不发生反应。
[0020]
所述材料a不限，包括sriro3(sio)、ca
0.5
sr
0.5
iro3(csio)等。
[0021]
所述材料b不限，包括srtio3(sto)、catio3(cto)等。
[0022]
作为优选，所述一个周期单元中，lsmo子层厚度为1个晶胞厚度，材料a 层厚度为1个晶胞厚度，材料b层厚度为2-3个晶胞厚度。
[0023]
作为优选，所述lsmo薄膜包括10-50个周期单元。
[0024]
本发明还提供一种制备上述磁各向异性可调的lsmo薄膜的制备方法，在氧气氛围中，通过脉冲激光沉积法在衬底上沉积制备薄膜，包括如下步骤：
[0025]
(1)利用la
2/3
sr
1/3
mno陶瓷靶材，在衬底上制备lsmo子层；
[0026]
(2)利用材料a靶材，在lsmo子层上制备材料a层；
[0027]
(3)利用材料b靶材，在材料a层上制备材料b层；
[0028]
(4)利用材料a靶材，在材料b层上制备材料a层；
[0029]
(5)利用la
2/3
sr
1/3
mno陶瓷靶材，在材料a层上制备lsmo子层；
[0030]
(6)重复步骤(1)至(5)数次。
[0031]
作为优选，沉积之前，首先将衬底进行腐蚀和退火处理，在衬底表面形成台阶，有利于薄膜逐层沉积。
[0032]
作为优选，沉积过程中，氧气气压为0.01-0.12mbar。
[0033]
作为优选，沉积过程中，衬底温度保持在600-800℃。作为进一步优选，沉积之后，在氧气气压为1-2mbar条件下降温至室温。作为更优选，降温速率为5
-ꢀ
10℃/min。
附图说明
[0034]
图1是本发明实施例1-3中制得的lsmo复合薄膜的x-射线衍射图谱，其中(a)图对应实施例1制得的[lsmo/2sio/lsmo]
10
复合薄膜，(b)图对应实施例2 制得的[lsmo/sio/3sto/sio/lsmo]
10
复合薄膜，(c)图对应实施例3制得的 [lsmo/sio/3cto/sio/lsmo]
10
复合薄膜。
[0035]
图2是本发明实施例1-3中制得的lsmo复合薄膜中超晶格的反射高能电子衍射图案，其中(a)图对应实施例1制得的[lsmo/2sio/lsmo]
10
复合薄膜，(b) 图对应实施例2制得的[lsmo/sio/3sto/sio/lsmo]
10
复合薄膜，(c)图对应实施例3制得的[lsmo/sio/3cto/sio/lsmo]
10
复合薄膜。
[0036]
图3是40u.c.纯lsmo薄膜的磁滞回线图。
[0037]
图4是实施例1中[lsmo/2sio/lsmo]
10
复合薄膜的磁滞回线图。
[0038]
图5是实施例2中[lsmo/sio/3sto/sio/lsmo]
10
复合薄膜的磁滞回线图。
[0039]
图6是实施例3中[lsmo/sio/3cto/sio/lsmo]
10
复合薄膜的磁滞回线图。
[0040]
图7是40u.c.纯lsmo薄膜以及实施例1-3中制得的lsmo复合薄膜磁各向异性能对比图。
具体实施方式
[0041]
下面结合实施例与附图，对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0042]
实施例1：
[0043]
本实施例中，lsmo复合薄膜由10个周期单元层叠组成。每个周期单元呈多层结构；沿着周期单元的层叠方向，每个周期单元依次是lsmo子层、sio 层以及lsmo子层，形成[lsmo/2sio/lsmo]
10
结构。
[0044]
该lsmo复合薄膜的制备方法包括以下步骤：
[0045]
(1)选择sto衬底，sto衬底晶向为[001]，面积为5
×
5mm2，厚度为0.5mm；将[001]晶向sto衬底进行腐蚀和退火处理，具体如下：
[0046]
(1-1)将[001]晶向sto衬底在98％乙醇中超声清洗15min，接着在去离子水中超声清洗15min，氮气吹干，然后在氢氟酸水溶液中腐蚀40s，之后立刻依次在三杯去离子水中清洗30s，最后氮气吹干；
[0047]
(1-2)将腐蚀后的[001]晶向sto衬底放入坩埚中，在通氧气的管式炉中退火，退火温度为1000℃，保温时间为3h，退火速率为5℃/min。
[0048]
(2)将步骤(1)处理后的[001]晶向sto衬底温度保持为680℃，在氧气气压为0.1mbar条件下，通过脉冲激光沉积法在该衬底上沉积制备薄膜，脉冲激光能量密度为1.3j/cm2，激光脉冲频率为2hz，具体如下：
[0049]
(2-1)利用la
2/3
sr
1/3
mno陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在该衬底上制备1 u.c.厚的lsmo薄膜；
[0050]
(2-2)利用sriro3陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在lsmo薄膜上沉积制备2u.c.厚的sio薄膜；
[0051]
(2-3)利用la
2/3
sr
1/3
mno陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在sio薄膜上沉积制备1u.c.厚的lsmo薄膜；
[0052]
(2-4)重复步骤(2-1)至(2-3)9次；
[0053]
(2-5)在氧气气压为1mbar、退火速率为10℃/min条件下降温至室温。
[0054]
实施例2：
[0055]
本实施例中，lsmo复合薄膜由10个周期单元层叠组成。每个周期单元呈多层结构；沿着周期单元的层叠方向，每个周期单元依次是lsmo子层、sio 层、sto层、sio层以及lsmo子层，形成[lsmo/sio/3sto/sio/lsmo]
10
结构。
[0056]
该lsmo复合薄膜的制备方法包括以下步骤：
[0057]
(1)选择sto衬底，sto衬底晶向为[001]，面积为5
×
5mm2，厚度为0.5mm；将[001]晶向sto衬底进行腐蚀和退火处理，具体如下：
[0058]
(1-1)将[001]晶向sto衬底在98％乙醇中超声清洗15min，接着在去离子水中超声清洗15min，氮气吹干，然后在氢氟酸水溶液中腐蚀40s，之后立刻依次在三杯去离子水中清洗30s，最后氮气吹干；
[0059]
(1-2)将腐蚀后的[001]晶向sto衬底放入坩埚中，在通氧气的管式炉中退火，退火温度为1000℃，保温时间为3h，退火速率为5℃/min。
[0060]
(2)将步骤(1)处理后的[001]晶向sto衬底温度保持为680℃，在氧气气压为0.1mbar条件下，通过脉冲激光沉积法在该衬底上沉积制备薄膜，脉冲激光能量密度为1.3j/cm2，激光脉冲频率为2hz，具体如下：
[0061]
(2-1)利用la
2/3
sr
1/3
mno陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在该衬底上制备1 u.c.厚的lsmo薄膜；
[0062]
(2-2)利用sriro3陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在lsmo薄膜上沉积制备1u.c.厚的sio薄膜；
[0063]
(2-3)利用srtio3单晶靶材，通过脉冲激光沉积法在sio薄膜上沉积制备3 u.c.厚的sto薄膜；
[0064]
(2-4)利用sriro3陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在sto薄膜上沉积制备1 u.c.厚的sio薄膜；
[0065]
(2-5)利用la
2/3
sr
1/3
mno陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在sio薄膜上沉积制备1u.c.厚的lsmo薄膜；
[0066]
(2-6)重复步骤(2-1)至(2-5)9次；
[0067]
(2-7)在氧气气压为1mbar、退火速率为10℃/min条件下降温至室温。
[0068]
实施例3：
[0069]
本实施例中，lsmo复合薄膜由10个周期单元层叠组成。每个周期单元呈多层结构；沿着周期单元的层叠方向，每个周期单元依次是lsmo子层、sio 层、cto层、sio层以及lsmo子层，形成[lsmo/sio/3cto/sio/lsmo]
10
结构。
[0070]
该lsmo复合薄膜的制备方法包括以下步骤：
[0071]
(1)选择sto衬底，sto衬底晶向为[001]，面积为5
×
5mm2，厚度为0.5mm；将[001]晶
向sto衬底进行腐蚀和退火处理，具体如下：
[0072]
(1-1)将[001]晶向sto衬底在98％乙醇中超声清洗15min，接着在去离子水中超声清洗15min，氮气吹干，然后在氢氟酸水溶液中腐蚀40s，之后立刻依次在三杯去离子水中清洗30s，最后氮气吹干；
[0073]
(1-2)将腐蚀后的[001]晶向sto衬底放入坩埚中，在通氧气的管式炉中退火，退火温度为1000℃，保温时间为3h，退火速率为5℃/min。
[0074]
(2)将步骤(1)处理后的[001]晶向sto衬底温度保持为680℃，在氧气气压为0.1mbar条件下，通过脉冲激光沉积法在该衬底上沉积制备薄膜，脉冲激光能量密度为1.3j/cm2，激光脉冲频率为2hz，具体如下：
[0075]
(2-1)利用la
2/3
sr
1/3
mno陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在该衬底上制备1 u.c.厚的lsmo薄膜；
[0076]
(2-2)利用sriro3陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在lsmo薄膜上沉积制备1u.c.厚的sio薄膜；
[0077]
(2-3)利用catio3单晶靶材，通过脉冲激光沉积法在sio薄膜上沉积制备3 u.c.厚的cto薄膜；
[0078]
(2-4)利用sriro3陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在cto薄膜上沉积制备1 u.c.厚的sio薄膜；
[0079]
(2-5)利用la
2/3
sr
1/3
mno陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在sio薄膜上沉积制备1u.c.厚的lsmo薄膜；
[0080]
(2-6)重复步骤(2-1)至(2-5)9次；
[0081]
(2-7)在氧气气压为1mbar、退火速率为10℃/min条件下降温至室温。
[0082]
上述实施例1-3中制得的lsmo复合薄膜的x-射线衍射图谱如图1所示，显示出明显的衍射峰，说明超晶格具有清晰的界面和良好的周期性，超晶格质量很高。
[0083]
上述实施例1-3中制得的lsmo复合薄膜中超晶格的反射高能电子衍射图案(rhhed)如图2所示。从图2中的(a)中可以看出[2lsmo/2sio]
10
超晶格的衍射图案中发现了细衍射条纹，这说明超晶格中氧八面体保持旋转；从图2中的 (b)中可以看出插入sto的超晶格，没有明显的衍射条纹，表明超晶格中氧八面体旋转被抑制；而图2中的(c)中插入cto的超晶格，在衍射图案中发现了明显的衍射条纹，而且比[2lsmo/2sio]
10
超晶格中的强度还要高，这代表超晶格中氧八面体保持并增强了旋转行为。
[0084]
选择40u.c.厚的纯lsmo薄膜与上述实施例1-3中制得的lsmo复合薄膜进行对比。
[0085]
利用超导量子干涉仪(squid)在10k低温下测得的超晶格磁滞回线如图3-6 所示，其中：
[0086]
图3为40u.c.lsmo薄膜的磁滞回线图，其易磁化轴为[110]方向；
[0087]
图4为实施例1中的[lsmo/2sio/lsmo]
10
超晶格的磁滞回线图，其易磁化轴为[100]方向；
[0088]
图5为实施例2中的[lsmo/sio/3sto/sio/lsmo]
10
超晶格薄膜的磁滞回线曲线图，其易磁化轴为[110]方向；
[0089]
图6为实施例3中的[lsmo/sio/3cto/sio/lsmo]
10
超晶格薄膜的磁滞回线曲线图，其易磁化轴为[100]方向。
[0090]
40u.c.厚的纯lsmo薄膜与上述实施例1-3中制得的lsmo复合薄膜磁各向异性能对比如图7所示，显示与40u.c.厚的纯lsmo薄膜相比，实施例1-3中制得的lsmo复合薄膜的磁各向异性能均显著增加。40u.c.厚的纯lsmo薄膜的磁各向异性能为6.8
×
104erg/cm3，实施例1中的[lsmo/2sio/lsmo]
10
的磁各向异性能从6.8
×
104erg/cm3增大到4.6
×
105erg/cm3，比lsmo磁各向异性能大近一个数量级；实施例2中的lsmo复合薄膜的磁各向异性能从6.8
×
104erg/cm3增大到 31.
×
105erg/cm3；实施例3中的lsmo复合薄膜的从6.8
×
104erg/cm3增大到 7.3
×
105erg/cm3。
[0091]
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。