在衬底上利用磁控溅射制备薄膜的方法

1.本发明涉及磁性超导材料制备技术领域，具体涉及在衬底上利用磁控溅射制备薄膜的方法。


背景技术：

2.交换偏置效应是磁性材料中的铁磁层与反铁磁层接触时产生的一种界面效应。这种效应是磁性自旋材料的一个重要性能，在应用方面有很大的前景，是未来磁性随机存储、快速存储和磁性超导器件的重要性能指标之一。由于目前已知的可以用来产生交换偏置的体系有很多种，而铁磁材料和反铁磁材料也有很多种，所以目前交换偏置方面的研究和实验方法也多种多样。但是从目前的相关研究报道来看，各种体系的交换偏置数值并没有很大突破，并且有很多较好数据的交换偏置实验报道对实验设备有很高的要求，研究成本过高，并且反应条件也比较苛刻，因此，暂时都不具有实际应用前景。
3.磁控溅射制备薄膜是一种很普遍的方法，具有沉积速度快、基材温升低的优点，且对于大部分材料只要能制成靶材，就可以实现溅射。但是由于磁控溅射原子存在不可控性，因此不能百分百形成致密且均匀的层状薄膜。就目前的磁控溅射技术而言，薄膜大多没有很好的性能。
4.在柔性材料发展迅速的当下，人们对科技产品的要求还包括了产品的轻便性和便携性，这给相关的研究提供了清晰的方向，就是改变以往的刚性硅衬底，换用较为轻便且柔韧性好的柔性衬底，目前已被使用的柔性衬底有pi、柔性云母、pvdf、pen等。已有很多在柔性衬底上利用各种方法制备铁磁层、反铁磁层薄膜或进行交换偏置的研究，这些研究里的交换偏置数值大多在200～600oe 左右，比如：在pi材料上制备的多层材料结构，获得的交换偏置数值为200oe；在柔性云母材料上制备的lsmo/nio和fe3o4/bfo这两种材料获得的交换偏置也在200oe和600oe；在pdms上的交换偏置为135oe，虽有柔性但效果不甚理想。因此，在柔性衬底上制备综合性能优异且具有交换偏置效应的薄膜具有极高的需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供在衬底上利用磁控溅射制备薄膜的方法，通过该方法，在柔性或刚性衬底上可制备出高性能的具有交换偏置效应的薄膜，并且在弯曲后仍保持原来的性能不减少。本发明的技术方案为：
6.在衬底上利用磁控溅射制备薄膜的方法，该方法利用了磁控溅射技术，并通过将溅射源中心与衬底中心之间设置成一定角度，然后利用纯氧对衬底表面形成的溅射薄膜表面进行原位氧化形成双层薄膜。
7.进一步地，所述一定角度为20
°
～30
°
。
8.优选地，所述一定角度为30
°
。
9.进一步地，所述方法包括以下步骤：
10.1)将衬底固定在磁控溅射腔的样品台，设置溅射源中心与衬底中心成一定角度；
11.2)将磁控溅射腔的真空度降至1
×
10-3
～1
×
10-4
pa，然后通入惰性气体，控制惰性气体流量为30～50atm，调节磁控溅射腔气压在1.5
×
10-1
～2.0
×
10-1
pa；
12.3)开启溅射源，控制溅射功率为80～100w，溅射时间为20～120s，并保持样品台固定不动，以在衬底表面形成溅射薄膜；
13.4)溅射完毕，通入氧气，控制氧气流量为40～60atm，并控制磁控溅射腔气压为1.8
×
10-1
～3.0
×
10-1
pa，使溅射薄膜暴露在氧气氛中3～10min，以进一步在溅射薄膜表面形成氧化薄膜。
14.进一步地，所述衬底通过聚酰亚胺pi胶带固定在磁控溅射样品台。
15.进一步地，所述衬底为柔性衬底或刚性衬底。
16.进一步地，所述柔性衬底选自pen、pi、pvdf或者柔性云母。
17.进一步地，所述刚性衬底选自硅、玻璃或者二氧化硅。
18.优选地，所述步骤2)中磁控溅射腔的真空度降至1
×
10-4
pa，通入惰性气体流量为50atm，调节磁控溅射腔气压在1.5
×
10-1
pa。
19.优选地，所述步骤3)中溅射功率为80w，溅射时间为50s。
20.优选地，所述步骤4)中氧气流量为60atm，并控制磁控溅射腔气压为1.8
ꢀ×
10-1
，使溅射薄膜暴露在氧气氛中3min。
21.本发明通过磁控溅射技术，并通过调整溅射源中心与柔性衬底中心呈一定角度，最优选为30
°
角，靶材为钴，在柔性pen衬底上可获得高性能的双层磁性薄膜结构，其交换偏置数值是目前已知同体系实验中在柔性衬底上制备获得的最大数值6217oe。并且该薄膜在柔性衬底上具有较好的保持性，在弯曲了500 次后同等条件下测试交换偏置数值并无较大的差别，弯曲前后保持在10％之内。该方法对于刚性衬底同样适用。
附图说明
22.图1为本发明实施例的方法中溅射源中心与柔性衬底中心的角度控制图。
23.图2为本发明实施例1的样品的表面形貌用扫描电子显微镜拍摄的图片
24.图3为本发明实施例1获得的钴/氧化钴双层膜结构的磁滞回线。
25.图4为本发明实施例1获得的钴/氧化钴双层膜结构弯曲前后对比的磁滞回线。
26.图5为本发明实施例1的理论模型依旧理论模拟得到的数据图像，其中，图(a) 为理论计算模型图；图(b)是模拟的数据。
27.图6为本发明实施例3中得到的样品竖切面的元素分布以及含量，其中，图中1) 为co分布，图中2)为si分布，图中3)为o分布。
28.图7为实施例1与实施例3的数据对比，在相同温度和相同角度下的对比图。
具体实施方式
29.在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，本发明的保护范围包
括但不限于以下实施例，在不偏离本技术的精神和范围的前提下任何对本发明的技术方案的细节和形式所做出的修改均落入本发明的保护范围内。
31.实施例1
32.本实施例提供一种在柔性衬底上利用磁控溅射制备薄膜的方法，采用pen 薄膜(聚萘二甲酸乙二醇酯)作为衬底材料，这种材料有耐热性好，透光度高，柔性好等优点，表面光滑平整，是很好的柔性衬底材料。具体步骤如下：
33.(1)将柔性衬底固定在磁控溅射腔的样品台，将溅射源进行一定的度数调整，使溅射源中心与柔性衬底中心呈30
°
，将纯度为99.999％的钴靶材放在溅射源中心的靶位上，如图1所示。
34.(2)先用机械泵抽真空，真空度降到10pa以下后打开闸板阀，开分子泵，利用分子泵抽真空40min，确保磁控溅射腔体内真空度在10-4
pa。
35.(3)在腔体内通入氩气，流量控制在50atm，打开闸板阀，控制腔体内的气压在1.5
×
10-1
pa。
36.(4)在氩气氛中打开直流溅射电源，功率80w，溅射时间50s，在溅射时保持样品台不转动，使得获得一个方向溅射的钴薄膜。
37.(5)溅射完毕后关闭靶材挡板，关闭氩气进气口，打开氧气进气阀，调节氧气流量60atm，保持腔体气压1.8
×
10-1
pa。
38.(6)打开样品挡板，将样品暴露在纯氧气氛中，保持3min，使得表面生成一层致密的氧化钴，即得钴/氧化钴双层膜结构，表面形貌如图2所示。
39.将本实施例获得双层薄膜-柔性衬底样品取出，使用ppms(综合物性测量) 测量材料的m-h曲线，得到如图3所示的曲线，表明在包含铁磁(fm)/反铁磁 (afm)界面的体系co/coo在外磁场中从高于coo磁奈尔温度冷却到低温后,铁磁层的磁滞回线将沿磁场反方向偏离原点，同时伴随着矫顽力的增加，其偏离量被称为交换偏置场。由偏置量可以计算出交换偏置数值为6217oe。为验证材料的稳定性，将材料取出，弯曲500次后在同样的条件下进行测试，得到的曲线如图4所示，并没有较大差别，弯曲前后保持在10％之内，表明该样品具有较强的稳定性。
40.此外，在本实验中溅射出较薄的薄膜并利用纯氧进行原位氧化可能将氧元素带入薄膜内部，由于交换偏置是一种界面效应，相当于增大了两种层状物质的接触面积，获得很大的交换偏置数值，具体的计算原理是采用受朗道-利夫希茨-吉尔伯特-布朗方程约束的原子自旋模型进行了仿真，公式如下：
[0041][0042]
其中mi是第i个位点的局部磁矩；γ0是陀螺磁比，，α是吉尔伯特阻尼因子，此处设置为0.1；bi是磁场；t是时间；eff表示有效磁场强度；磁旋比γ0＝1.76
×
10-4 (fs-1
t-1
)。
[0043]
相关的模型图如图4所示。还有做eds mapping得到的氧元素分布图佐证 (图6中3))。表明在这种方法下，不再是简单的双层膜接触，产生了更好的效果。
[0044]
实施例2
[0045]
本实施例提供一种在柔性衬底上利用磁控溅射制备薄膜的方法，与实施例 1的区别在于：溅射源中心与柔性衬底中心呈20
°
，最终获得的双层薄膜的交换偏置数值为
2500oe。
[0046]
实施例3
[0047]
本实施例提供一种在刚性衬底上利用磁控溅射制备薄膜的方法，采用的刚性衬底为硅，其它同实施例1，在刚性衬底上的对比实验中，我们获得了几乎一样的交换偏置数值，如上图6所示，数值的差值小于百分之五。所以我们可以确认在柔性衬底和刚性衬底上利用这个实验方式制备的样品性能没有较大差别。
[0048]
对比例1
[0049]
本对比例提供一种在柔性衬底上利用磁控溅射制备薄膜的方法，与实施例 1的区别在于：溅射源中心与柔性衬底中心呈5
°
，最终获得的双层薄膜的交换偏置数值为2000oe。
[0050]
在对柔性衬底交换偏置的探索，前人已经做了很多，在pi材料上制备的多层材料结构，获得的交换偏置数值为200oe；在柔性云母材料上制备的两种材料获得的交换偏置也在200oe和600oe；在pdms上的交换偏置为135oe，上述为柔性衬底材料的不同，产生偏置的铁磁层和反铁磁材料也不同，目前没有相似材料的柔性研究，本发明是首例。
[0051]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。