[发明专利]一种MnAs纳米线及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于MnAs纳米线技术，特别是一种MnAs纳米线及其制备方法。

背景技术

作为晶体外延生长的典型示例，MnAs/GaAs异质结构一直是薄膜晶体生长领域的研究重点，在自旋注入器件、自旋阀、磁隧道结等自旋电子学领域具有潜在的应用前景。

MnAs/GaAs异质结构一般由分子束外延技术(MBE)及设备生长得到。MBE是一种应用于晶体薄膜生长和薄膜器件制备的技术。通过MBE设备，不仅可以调整晶体生长的成分、温度、时间等参数，而且通过设计、选择异质结构中的衬底、缓冲层等，可以调控晶体生长的取向、晶格匹配度、应力等，从而得到不同类型、不同性能的晶体。

M.Tanaka的研究[Semicond.Sci.Technol.17(2002)327]指出，在GaAs(001)单晶衬底表面，当衬底温度不高于250℃时，MnAs能够形成外延二维薄膜，并且具有两种可能的外延晶向对应关系。无论何种晶向对应关系，MnAs的晶体结构通常都为六角密堆结构，其铁磁居里温度在310～320K之间，在该温度区间，可以观察到MnAs由铁磁态(α-MnAs)向顺磁态(β-MnAs)的转变。

在异质外延过程中，在适当的衬底应力作用和合适的生长温度下，可以得到横躺于衬底表面的纳米线。此类应力作用下外延生长得到的纳米线，其生长遵循Stranski-Krastanov(S-K)外延生长模式。当衬底温度(或生长温度)较高时，沉积原子的表面迁移率较高，使得原子在沉积过程中优先沿着某一晶向排列分布，导致了纳米线的形成。在Si(001)单晶表面生长的Ag纳米线以及在Ge(001)单晶表面生长的Fe₁₃Ge₈纳米线便是该生长模式的典型例子。在MnAs/GaAs(001)异质结构体系中，已有研究利用反射高能电子衍射谱和原子力显微镜等技术探测到了MnAs生长初期(即薄膜厚度低于几个原子层厚度时)的S-K生长模式[W.Braun等，Surf.Sci.600(2006)3950，和J.Okabayashi等，Appl.Phys.Lett.89(2006)022502]。但是由于一般MnAs/GaAs(001)异质外延生长目的是为了得到高质量的二维薄膜，而较低的生长温度(200-250℃)可以有效地抑制S-K生长模式。因此，尽管MnAs/GaAs(001)的生长也属于应力作用下的异质外延，但是没有利用该技术得到MnAs纳米线的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用MnAs/GaAs(001)异质外延生长过程中的S-K生长模式，得到外延生长且横躺于GaAs(001)单晶表面的MnAs纳米线，应用自旋电子学领域。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种MnAs纳米线，90％以上的纳米线沿[110]GaAs晶向排列，晶向对应关系满足且其外延生长于GaAs(001)单晶衬底上，横躺与GaAs(001)单晶表面，具有六角密堆晶体结构。

一种MnAs纳米线的制备方法，步骤如下：

(1)完成分子束外延设备/系统的各项生长准备程序：确认系统中安装有Mn、Ga、As源；在超净间将GaAs(001)单晶衬底切割并用In粘附于样品台上；在进出腔中对于衬底及样品台进行去水气烘烤，在缓冲腔中对于衬底及样品台进行去有机杂质的烘烤；用液氮冷却生长腔，以提高背景真空度；

(2)在生长腔中外延生长GaAs(001)高温缓冲层，以提高异质生长的界面质量；然后在设定生长温度生长MnAs纳米线；

(3)生长结束后将衬底降温，将样品连同样品台自缓冲腔和进出腔取出，并从样品台上取下。

本发明与现有技术相比，其显著优点：MnAs纳米线为六角密堆晶体结构，横躺于GaAs(001)单晶表面，90％以上沿[110]GaAs晶向排列，晶向对应关系满足且具有沿着[110]GaAs方向的磁各向异性。所发明的MnAs纳米线制备方法，利用分子束外延技术与设备，以GaAs(001)单晶为衬底，提高生长温度至450-550℃实现S-K生长模式，确保As4/Mn的流量比在20及以上、控制平均沉积厚度在0.4-3nm，得到外延且横躺GaAs(001)表面的MnAs纳米线。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是利用本发明的制备方法得到的MnAs/GaAs(001)纳米线的表面形貌图。

图2是图1(c)样品的x射线衍射(XRD)图谱(两个插图为峰的放大)。