[发明专利]一种含Ni的纳米薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及材料物理领域，具体涉及一种含Ni的纳米薄膜材料及其制备方法。 

背景技术

霍尔效应给人们昭示了宏观世界与微观世界的桥梁纽带，同时也显示了宏观性能的微观物质基础。它是美国物理学家霍尔于１８７９年发现的一个物理效应。具体可以描述为：在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压。 

霍尔效应目前已经有着非常广泛的应用。人类日常生活中常用的很多电子器件都是利用霍尔效应实现的，例如汽车上广泛应用的信号传感器、汽车速度表和里程表、ＡＢＳ系统中的速度传感器、发动机转速及曲轴角度传感器等。随着人们认识的不断深入，霍尔效应将会在更大程度上改变人们的生活。 

然而，目前的科技条件下，产生霍尔效应需要非常强的磁场，这不但导致价格昂贵，而且占用空间，尚不能使用在当今的手机、个人电脑和便携式计算机上。而量子反常霍尔效应则是不需要任何外加磁场的情况下实现量子霍尔态，从而可以方便地应用到人们日常所需的电子器件中。并且，量子反常霍尔效应能解决电子碰撞发热的问题，因而在未来的量子计算、量子信息存储方面具有巨大的应用潜力，据此设计具有极低的能耗的新一代大规模集成电路和元器件。因此，量子反常霍尔效应有可能推动新一代低能耗晶体管和电子学器件发展，通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，即使千亿次的超级计算机都有望做成现在的平板电脑的大小。 

实现量子反常霍尔效应的关键在于材料的制备。然而，目前关于量子反常霍尔效应的材料的报道较少。专利CN 102995117 A  提出了一种本发明涉及一种产生量子化反常霍尔效应的材料的制备方法，然而，该材料的厚度必须小于5纳米，同时必须要在温度小于或等于1.5 开尔文下才能获得；专利CN 103022344 A与CN103000803A也提出了一种拓扑绝缘体结构用来实现量子化反常霍尔效应，其制备的薄膜也必须非常薄，其厚度为3至5纳米，同时其温度也必须低于1.5k。获得量子化反常霍尔效应的温度过低以及薄膜厚度太小，都大大限制了其实际的应用以及工业化生产。 

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种大大提高了产生量子化反常霍尔效应的温度，同时，由于可以采用厚度较大的薄膜、更易于应用于工业生产含Ni的纳米薄膜材料；本发明还提供了该纳米薄膜的生产方法。 

技术方案：为实现上述目的，本发明提供的一种含Ni的纳米薄膜材料，包括绝缘基底以及镀在绝缘基底表面的纳米薄膜；所述纳米薄膜的化学式由 Ni_xCr_y(Bi_zSb_1-z)_2-x-ySe₃表示，其中0<x<0.02，0.1<y<0.3，0.1<z<0.3，且1:1<z:y<2:1；所述纳米薄膜镀在绝缘基底表面的厚度为5-50nm。 

本发明的材料是Ni、Cr掺杂的(Bi,Sb) ₂Se₃体系，由于Ni、Cr元素存在不饱和磁矩，元素间的交互作用改变了材料的能带结构，在该体系中形成了较强的铁磁交换机制，使得该材料体系能够在更大的厚度、更高的温度下形成稳定的铁磁绝缘体，实现量子反常霍尔效应。 

进一步地，所述绝缘基底可以是钛酸锶、钛酸钡、刚玉或者金刚石中的一种。 

进一步地，所述绝缘基底的厚度为0.1-10mm。 

优选地，0.003<x<0.02。 

优选地，0.11<y<0.28。 

优选地，0.11<z<0.26。 

优选地，所述纳米薄膜镀在绝缘基底表面的厚度为35－50nm。 

上述的含Ni的纳米薄膜材料的制备方法，其特征在于：其制备步骤包括如下： 

（1）选取绝缘基底材料，使其表面为（111）晶面，并在小于50-90℃的去离子水中加热1 至2 小时，然后在氧气和氩气氛围中800-1200℃灼烧2 至3 小时；然后放置于真空度大于10^-8Torr的分子束外延系统过渡腔中；

（2）将基底加热到400℃，保温1小时，进行除气处理；

（3）将基底转入生长室，同时准备Ni、Cr、Bi、Sb、Se材料；