[发明专利]一种在MgO衬底上制备高质量Fe3

说明书

本发明公开了一种在MgO(001)衬底上制备高质量Fe₃O₄(001)薄膜的方法，使用磁控溅射装置在MgO(001)衬底上制备高质量Fe₃O₄(001)薄膜，安装靶材，获得腔体真空；衬底预处理；预溅射；溅射沉积薄膜；所述步骤1)中，使用高纯Fe即纯度大于99.95％靶材，腔体真空度达到1×10^‑8Torr以上；溅射时衬底温度保持在300℃，样品台旋转速度5rpm，打开样品台挡板开始沉积薄膜，根据溅射的时间控制沉积薄膜的厚度；射频电源功率为50W。

技术领域

本发明属于铁氧体薄膜制备技术领域，特别涉及一种使用磁控溅射装置在MgO(100)衬底上制备高质量Fe₃O₄(001)薄膜的方法。

背景技术

四氧化三铁(Fe₃O₄)为反尖晶石结构(AB₂O₄)，晶格常数为晶格结构中O^2-离子以面心立方结构堆积，行程四面体和八面体空隙。四面体空隙(A)的位置被Fe³⁺阳离子占据，而八面体空隙(B)的位置被Fe³⁺/Fe²⁺阳离子占据。单位晶胞中有32个O^2-离子，24个铁离子，堆积形成8个四面体空隙，16个八面体空隙，形成四氧化三铁的反尖晶石结构，化学式表示为Fe_A³⁺[Fe²⁺Fe³⁺]_B(O^-2)₄。Fe₃O₄薄膜具有半金属特性，理论计算自旋极化率为-100％，居里温度高为858K，成膜温度低，电阻率较高，可以作为自选电子器件中的理想的自旋电子注入源，在自旋电子学领域具有广泛的科研和应用价值。

目前通过物理沉积制备Fe₃O₄薄膜的主要方法有分子束外延(Molecular BeamEpitaxy，MBE)、脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)和溅射(Sputtering)等。分子束外延设备价格昂贵，实验条件要求严苛，薄膜制备速度较慢。脉冲激光沉积的方法则只适用于小面积薄膜的生长制备，沉积大面积的薄膜容易产生不均匀的现象，严重影响薄膜的性能。而磁控溅射沉积的方法成本低，速度快，质量好，可以沉积大面积的薄膜，是微电子产业工业化生产中应用最为广泛的薄膜制备方法之一。

此前已经有研究工作者采用磁控溅射的方法沉积Fe₃O₄薄膜并取得了相关的成果，但是在MgO(001)衬底上沉积得到的均为多晶薄膜或有多种取向的外延薄膜(CN1010038393A,CN 101235484A，CN 101497986A，CN 101497987A)。并且都存在以下缺点：使用更难获得的Fe₂O₃靶材、生长时基片温度较高(高于300℃)、反应气体引入H₂具有一定危险性、不能得到高质量的外延单晶Fe₃O₄(100)薄膜。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是，提供一种制备高质量Fe₃O₄薄膜的方法。该方法使用磁控溅射在MgO(001)衬底上沉积得到了高质量Fe₃O₄单晶薄膜，生长厚度可控，薄膜性能优异，有利于工业化应用。

本发明采取的技术方案，在MgO(001)衬底上制备高质量Fe₃O₄薄膜的方法，包括以下步骤：

1)安装靶材，获得腔体真空；

2)衬底预处理；

3)预溅射；