[发明专利]亚微米级面外易磁化单晶石榴石磁光薄膜的液相外延制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子材料技术领域，具体涉及一种亚微米级面外易磁化单晶石榴石磁光薄膜的液相外延制备方法。

背景技术

自上世纪五六十年代开始，微波通信技术的快速发展带动了对基础材料的需求，使石榴石单晶薄膜也成为了一大研究热点。之后随着光纤通信技术的发展，使磁光石榴石单晶薄膜引起了人们的极大关注。自2010年发现YIG材料可作为传导自旋波的理想导体，科学界一直专注于YIG材料在自旋领域应用的探索。2016年美国学者C.O.Avci et.al在《自然》上报道TmIG磁光材料同样可作为传导自旋波的理想导体，使磁光材料在自旋领域的应用研究成为新热点。研究发现，TmIG磁光薄膜虽然本身是一种电流绝缘体，但自旋流仍可在其中传输，自旋电子进入磁性绝缘体中，对磁矩会产生一个微观的力矩(自旋转移力矩)，利用这一自旋转移力矩可以实现对磁矩的翻转。本案利用液相外延的亚微米级厚度Bi:TmIG薄膜的面外易磁化特性，可以实现较低自旋流大小诱导的磁矩翻转，为开发室温低功耗自旋电子器件奠定了重要的材料基础。但在较厚面外磁化TmIG石榴石薄膜中，实现自旋流的磁矩翻转存在很大困难，导致其无法应用于自旋逻辑器件。因此，自旋器件应用的面外磁化TmIG 薄膜，厚度需要控制在亚微米级甚至是纳米级。此外，TmIG薄膜虽然是面外易磁化材料，但饱和磁场较大，如何降低饱和场也是难点之一。

液相外延技术是在衬底上生长单晶薄膜或厚膜最重要的一种工艺技术，可通过适当控制熔体中氧化物的配比，调整薄膜材料的性能。以单晶石榴石薄膜为例，一般是在钆镓石榴石(GGG)衬底上生长微波单晶或磁光单晶。

目前，液相外延制备的磁光单晶薄膜的厚度大多是微米级，还没有制备亚微米级磁光单晶薄膜的有效方法。主要原因在于：1、目前并没有找到合适的氧化物配比；2、目前制备厚度较薄的磁光薄膜的常规思路是低生长速率(极低过冷度)、短生长时间，然而由于过冷度极低产生的扩散驱动力较小，基片表面很难快速均匀成核结晶，这使得制备亚微米级厚度的单晶石榴石磁光薄膜成为一个技术难题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供亚微米级面外易磁化单晶石榴石磁光薄膜的液相外延制备方法，以得到厚度为100nm～1000nm，薄膜的结构致密、表面平整的单晶石石榴石磁光薄膜。

亚微米级面外易磁化单晶石榴石磁光薄膜的液相外延制备方法，包括如下步骤：

S1、制备熔体：以Ga₂O₃、Tm₂O₃、Fe₂O₃、Bi₂O₃为原料，Bi₂O₃既为薄膜提供成分又为熔剂，Ga₂O₃用以降低饱和场；

根据配方:(Bi_xTm_3-x)(Ga_yFe_5-y)O₁₂，0<x<3,0<y<5，采用R因子配方法 (Blank-Nielsen系数法)进行配料得到熔体，涉及的R因子有R1、R2、R3，三个因子的关系如下(摩尔比)：

其中，Garnetoxides是指构成石榴石薄膜的组分氧化物，Garnetoxides+Flux是指构成石榴石薄膜的组分氧化物与Bi₂O₃熔剂的总量。

S2、清洗基片；

S3、将步骤S2清洗后的基片放入熔体中，在935℃温度下、基片转速为 120rpm，生长1～5min，生长完成后清洗去除残留，得到本发明所述亚微米级面外易磁化单晶石榴石磁光薄膜。

本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤S1的具体过程为：准确称量原料Ga₂O₃、Tm₂O₃、Fe₂O₃、Bi₂O₃，研磨混合后置于铂坩埚中，在1050～1080℃下熔化20～24h，然后在980～1000℃下搅拌10～12h，得到均匀熔体。

本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤S2采用的基片为钆镓石榴石 (GGG)基片。