一种在MgO衬底上制备高质量Fe3O4薄膜的方法

一种在mgo衬底上制备高质量fe3o4薄膜的方法
技术领域
1.本发明属于铁氧体薄膜制备技术领域，特别涉及一种使用磁控溅射装置在mgo(100)衬底上制备高质量fe3o4(001)薄膜的方法。


背景技术：

2.四氧化三铁(fe3o4)为反尖晶石结构(ab2o4)，晶格常数为晶格结构中o
2-离子以面心立方结构堆积，行程四面体和八面体空隙。四面体空隙(a)的位置被fe
3
阳离子占据，而八面体空隙(b)的位置被fe
3
/fe
2
阳离子占据。单位晶胞中有32个o
2-离子，24个铁离子，堆积形成8个四面体空隙，16个八面体空隙，形成四氧化三铁的反尖晶石结构，化学式表示为fe
a3
[fe
2
fe
3
]b(o-2
)4。fe3o4薄膜具有半金属特性，理论计算自旋极化率为-100％，居里温度高为858k，成膜温度低，电阻率较高，可以作为自选电子器件中的理想的自旋电子注入源，在自旋电子学领域具有广泛的科研和应用价值。
[0003]
目前通过物理沉积制备fe3o4薄膜的主要方法有分子束外延(molecular beam epitaxy，mbe)、脉冲激光沉积(pulsed laser deposition，pld)和溅射(sputtering)等。分子束外延设备价格昂贵，实验条件要求严苛，薄膜制备速度较慢。脉冲激光沉积的方法则只适用于小面积薄膜的生长制备，沉积大面积的薄膜容易产生不均匀的现象，严重影响薄膜的性能。而磁控溅射沉积的方法成本低，速度快，质量好，可以沉积大面积的薄膜，是微电子产业工业化生产中应用最为广泛的薄膜制备方法之一。
[0004]
此前已经有研究工作者采用磁控溅射的方法沉积fe3o4薄膜并取得了相关的成果，但是在mgo(001)衬底上沉积得到的均为多晶薄膜或有多种取向的外延薄膜(cn 1010038393a,cn 101235484a，cn 101497986a，cn 101497987a)。并且都存在以下缺点：使用更难获得的fe2o3靶材、生长时基片温度较高(高于300℃)、反应气体引入h2具有一定危险性、不能得到高质量的外延单晶fe3o4(100)薄膜。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术的不足，本发明的目的是，提供一种制备高质量fe3o4薄膜的方法。该方法使用磁控溅射在mgo(001)衬底上沉积得到了高质量fe3o4单晶薄膜，生长厚度可控，薄膜性能优异，有利于工业化应用。
[0006]
本发明采取的技术方案，在mgo(001)衬底上制备高质量fe3o4薄膜的方法，包括以下步骤：
[0007]
1)安装靶材，获得腔体真空；
[0008]
2)衬底预处理；
[0009]
3)预溅射；
[0010]
4)溅射沉积薄膜；
[0011]
具体的，所述步骤1)中，使用高纯fe(纯度大于99.95％)靶材，腔体。真空度须达到1
×
10-8
torr以上；
[0012]
所述步骤2)为：将mgo(001)衬底清洗，去除衬底表面的油污杂质；清洗完毕干燥后通过真空系统传入生长腔室；将衬底加热至500
±
50℃退火30
±
10分钟，随后降温至溅射生长温度300
±
30℃。所述步骤3)为：通入高纯氩气(99.999％)和氧气(99.999％)的混合气体，通过调节抽气速率，使溅射时的气压稳定在4
×
10-3
torr。氧气和氩气的比例通过电控的流量阀门控制，氩气的体积为氧气体积的30倍以上；氧气的流速控制为1.5sccm，氩气的流速控制在50sccm左右。使用射频电源功率30w以上，如50w、60w，开始预溅射，时间15
±
8分钟。
[0013]
所述步骤4)中，在薄膜的沉积过程中，衬底温度保持在300
±
30℃，并以2-10rpm的速度旋转。通过控制溅射的时间，沉积不同厚度的薄膜。
[0014]
本发明的有益效果为：
[0015]
(1)采用容易获得的纯fe靶材；
[0016]
(2)反应气体少，无污染；
[0017]
(3)工艺流程简单可靠，可重复性高；
[0018]
(4)生长温度较低，300℃；
[0019]
(5)采用磁控溅射的方式，效率高，有利于应用于工业化生产。
附图说明
[0020]
图1为本发明中实施例的rheed图样。
[0021]
图2为本发明中实施例的xrd图谱。
[0022]
图3为本发明中实施例的xps图谱。
[0023]
图4为本发明中实施例的raman图谱。
[0024]
图5、图6分别为本发明中实施例的vsm和xmcd图谱。
[0025]
图7为本发明中实施例的自旋分辨光电子能谱；
[0026]
图8为本发明方法生长的薄膜的自旋极化率-42
±
3％。
[0027]
具体实施方法
[0028]
本发明采用磁控溅射的方法在mgo(001)衬底上制备了高质量的外延单晶fe3o4(001)薄膜。并且通过多种实验手段，表征了薄膜优异的性能。本发明工艺简单，可重复，成本低，无污染，适合工业化应用。
[0029]
为了将本发明的目的和优势阐述的更加清楚，以下结合具体实施例和附图对本发明实施例：
[0030]
安装高纯fe(99.95％)靶材，腔体抽真空，真空度须达到1
×
10-8
torr。
[0031]
取10
×
10mm大小的mgo(001)衬底，放入丙酮溶液中超声清洗30分钟，随后放入无水乙醇中超声清洗30分钟，最后使用去离子水超声30分钟，并用氮气吹干。清洗完毕的衬底装入样品托，通过真空互联系统传入磁控溅射的生长腔室。然后设置退火温度500℃，退火30分钟，设置转速5rpm。退火完成后保持300℃的生长温度，通入高纯氩气(99.999％)和氧气(99.999％)的混合气体，通过调节抽气速率，使溅射时的气压稳定在4
×
10-3
torr左右为好。氧气和氩气的比例通过电控的流量阀门控制，氧气的流速控制为1.5sccm，氩气的流速控制在50sccm左右。使用射频电源，设置电源功率50w，开始预溅射，时间15分钟。
[0032]
打开样品台挡板，开始沉积薄膜，15分13秒后关闭挡板，得到50nm厚fe3o4(100)薄
膜。改变时间即可沉积不同厚度的薄膜。
[0033]
图1的rheed(反射式高能电子衍射仪)图样的展示了薄膜的外延关系为fe3o4(001)[001]//mgo(001)[001]。fe3o4(001)表面呈现清晰的重构，并且rheed条纹清晰细长，证明了通过本方法生长的薄膜，表面平整，结晶度好。
[0034]
图2展示的xrd图谱说明通过本方法生长的fe3o4(001)薄膜有一致的取向。
[0035]
图3展示的薄膜的x射线光电子能谱为标准的fe3o4薄膜能谱，在718ev附近没有观察到标志γ-fe2o3的卫星峰出现。
[0036]
图4展示的薄膜的拉曼图谱为典型的fe3o4薄膜图谱。
[0037]
图5展示了通过本方法生长的不同厚度fe3o4薄膜的vsm测试结果，饱和磁化强度的最大值达到407
±
5emu/cm3，图6展示了通过本方法生长的以及5nm fe3o4薄膜的fe l
2,3
边xas和xmcd谱线。xmcd测试得到的原子磁矩大小为3.31
±
0.15μb/f.u.。
[0038]
图7展示了通过本方法生长的40nm fe3o4薄膜的自旋分辨光电子能谱，图8测试得到的自旋极化率-42
±
3％，与理论计算得到的值相符合。
[0039]
综上所述，本发明涉及一种使用磁控溅射装置在mgo(001)衬底上制备高质量fe3o4(001)薄膜的方法，工艺流程简单，无污染，效率高，适合工业化应用。