[发明专利]一种反铁磁氮化铬薄膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种氮化铬薄膜及其制备方法，所述制备方法包括：(1)制备多晶氮化铬靶材：将氯化铬粉末与氨基钠粉末混合，预烧后压成块状靶材，并再次烧结，得到多晶氮化铬靶材；(2)薄膜制备：将所述多晶氮化铬靶材置于脉冲激光沉积设备的真空腔体中，利用脉冲激光沉积在衬底上生长氮化铬薄膜。得到的CrN薄膜结晶质量高且化学组分配比均一。本发明操作简单，可重复性强，不受外界环境影响。可根据器件需要，制备不同厚度及反铁磁转变温度的氮化铬薄膜。

技术领域

本发明涉及一种反铁磁氮化铬薄膜及其制备方法。

背景技术

超薄导电材料在透明显示、柔性电子皮肤、可穿戴光伏器件等方面具有广泛的应用前景，是应用材料领域争相角逐的前沿领域。现代微电子器件不仅要求这些超薄材料具有优异的导电性和透光性，还要求它们能够具有更为丰富的物理特性，例如磁性、热电性、延展性和抗腐蚀性等，为设计下一代移动智能多功能器件提供备选材料。氮化铬(CrN)就是集这些优良物性于一身的理想材料。

室温下，CrN块材呈现金属性，其载流子浓度约为10²⁰·cm^-3，迁移率约为100cm²V^-1s^-1。当温度低于10℃时，CrN的晶体结构从立方相转变为斜方相，其磁基态也将从顺磁性转变为反铁磁性，同时伴随着电阻率突变。CrN这种天然的反铁磁金属性使其既没有杂散场，也不易受外磁场干扰，是制备超快、保密、高密度和低能耗磁存储器件的绝佳材料。

然而，长久以来，制备高结晶质量和化学组分均一的CrN单晶块材和薄膜却极具挑战性。一方面，CrN单晶的合成普遍需要超高温和超高压的极端环境。另一方面，氮空位和氧掺杂都将对氮化铬薄膜材料的物理特性造成巨大影响。

发明内容

因此，本发明提供一种具有准确化学计量比且高质量的CrN薄膜的制备方法。鉴于CrN制备所需极端环境(高温、高压、低氧等)，本发明的中利用脉冲激光沉积技术(PLD)，使用CrN多晶靶材，辅助活性氮原子源，制备出的薄膜具有组分均一且准确的化学计量比；并且可以严格控制薄膜厚度，薄至单原胞层(～0.4nm)，厚至1μm以上，可制备于不同衬底；同时薄膜具有反铁磁特性。

为了实现以上发明目的，本发明提供了一种反铁磁氮化铬薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备多晶氮化铬靶材：将氯化铬(CrCl₃)粉末与氨基钠(NaNH₂)粉末混合，预烧后压成块状靶材，并再次烧结，得到多晶氮化铬靶材；

(2)薄膜制备：将所述多晶氮化铬靶材置于脉冲激光沉积设备的真空腔体中，利用脉冲激光沉积在衬底上生长氮化铬薄膜。

根据本发明提供的制备方法，优选地，步骤(2)中所述CrN薄膜的生长温度为30～800℃。

根据本发明提供的制备方法，优选地，利用脉冲激光沉积技术在衬底上生长CrN薄膜的过程中，可以辅助以活性氮原子源(通过高压放电将高纯氮气电离为高活性氮离子)。这样可以弥补CrN在形成羽辉过程中所产生的氮缺陷，同时氮分压也可以束缚羽辉，有利于提高薄膜的生长速率。优选地，所述活性氮原子源的功率为100～500W，进气量为0.5～10sccm，氮分压为1×10^-7～9×10^-2Torr。

根据一个优选的实施方式，步骤(2)中所述脉冲激光沉积过程中的激光能量密度为0.5～3J/cm²。

根据一个优选的实施方式，步骤(2)中所述脉冲激光沉积过程中的激光频率为1～20Hz。

根据一个优选的实施方式，步骤(2)中所述脉冲激光沉积过程中的升降温速率可以为1～20℃/min，升降温氮分压为1×10^-7～9×10^-2Torr。