[发明专利]一种磁性拓扑异质结薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及铁磁性材料及异质结薄膜的制备技术领域，公开了一种磁性拓扑异质结薄膜的制备方法，包括以下步骤：a、Bi₂Se₃薄膜的制备：将片清洗后固定在磁控溅射设备样品台上；于高纯Ar气保护下溅射纯度为99.99％的Bi₂Se₃靶材3～5min；b、Bi₂Se₃薄膜的退火处理：将按照a步骤制备完成的Bi₂Se₃薄膜封存于石英管中，并将石英管置于管式炉中，进行退火成相处理；c、Fe₇Se₈/Bi₂Se₃异质结薄膜的制备：将经b步骤退火处理后的Bi₂Se₃薄膜固定在磁控设备样品台上，于高纯Ar气保护下溅射纯度为99.99％的Fe₇Se₈靶材5～10min；d、Fe₇Se₈/Bi₂Se₃异质结薄膜的退火处理：在400～450℃的管式炉中退火2h。本发明制备的异质结薄膜制备成本低，对环境污染少，制备工艺简单易实现，适于大批量生产。

技术领域

本发明涉及铁磁性材料及异质结薄膜的制备技术领域，具体涉及一种磁性拓扑异质结薄膜的制备方法。

背景技术

Bi₂Se₃薄膜作为典型的拓扑绝缘体(TI)材料，在电子器件领域运用前景广阔。近几年来，随着器件性能要求的不断提高，器件设计正向尺寸微型化、结构新颖化、空间低维化、能量量子化方向发展。理论表明，将三维(3D)拓扑绝缘体材料的厚度减少，直至成为二维(2D)材料，则其自旋结构和拓扑性质都会因为这个厚度发生巨大改变。因此，制备出纳米级Bi₂Se₃薄膜可能获得2D拓扑绝缘体。同时，薄膜形态的拓扑绝缘体的电子和自旋结构受厚度、表面、界面、铁磁序和超导态等因素影响会出现很多有趣的物理现象，研究薄膜态的拓扑绝缘体对其相关应用都具有很重要的意义。

TI与普通的绝缘体、半导体、超导体以及磁性材料交替生长制备出异质结薄膜以及量子势阱或者量子点阵器件，使得TI表面态更加突出，具有重要的应用潜力。TI基异质结是近年来TI研究的最热门方向。据nature期刊报道，采用自旋极化中子反射性实验，通过双分子层系统中耦合铁磁绝缘体(EuS)与TI(Bi₂Se₃)复合形成Bi₂Se₃/EuS异质结，发现该异质结的界面在没有引入磁性缺陷的情况下，产生了铁磁性，破坏了时间反演对称性，拓扑表面态(SSs)磁性增强。铁磁性从界面延伸入Bi₂Se₃约2nm，在TI表面的特定位置实现的稳定的铁磁长程有序，利用TI中的拓扑磁电反应调控体系中的自旋，为磁性TI的实现以及未来自旋电子器件的有效操控提供了新的可能性。此外，在TI和反铁磁绝缘体异质结构中也会存在拓扑近邻效应，研究的比较多的是Bi₂Se₃/MnSe结构和Bi₂Se₃/La_1-xSr_xMnO₃结构。拓扑近邻效应能诱导出TI的磁性和调控能带，因此拓扑近邻效应是研发和应用自旋电子的重要途径。

目前，TI和磁性材料异质结领域的研究还在初级阶段，仍有大量的工作需要完善和确定。其中，铁基硒化物由于具有特殊的晶体结构相变和铁磁性而得到广泛的研究。据报道，Fe₇Se₈与NiAs具有相似的结构，其阳离子空位被局限在交替的c平面内，相邻的两个c平面内的磁矩方向相反，而同一层的磁矩方向相同，因而不同的堆叠方式决定了Fe₇Se₈两种超晶格结构，三斜超晶格结构(4c)和正交超晶格结构(3c)。同时Fe₇Se₈的磁性与其晶格结构密切相关。这种特殊的磁性将决定其在电、磁输运方面表现卓越。