[发明专利]一种高饱和磁化强度锌掺杂镍铁氧体薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高饱和磁化强度锌掺杂镍铁氧体薄膜及其制备方法，涉及磁性半导体薄膜材料技术领域，方法包括如下步骤：将NiO、ZnO和Fe₂O₃多晶粉末混合，使用固体烧结法，获得圆片形锌掺杂镍铁氧体多晶靶材；在少量氧气存在的条件下，以所述锌掺杂镍铁氧体多晶靶为靶材，利用脉冲激光沉积法在MgAl₂O₄衬底上获得所述薄膜。本发明所制得的薄膜成分、厚度可控，具有绝缘亚铁磁性，其室温饱和磁化强度高达441.62emu/cm³，有助于指导制备具有室温亚铁磁性的铁氧体薄膜材料，有助于进一步推动自旋电子器件材料的发展。

技术领域

本发明属于磁性半导体薄膜材料技术领域，具体涉及一种高饱和磁化强度锌掺杂镍铁氧体薄膜及其制备方法。

背景技术

面向后摩尔时代的信息存储与逻辑运算需求，自旋电子器件为开发下一代具有更小单元尺寸、非易失性、低功耗和高速度的微电子器件提供了具有广阔前景的发展方向。这些新型器件可以基于某些材料通过自旋过滤效应等产生高自旋极化电流，以实现高速调制和低能耗工作。图1给出了自旋过滤效应的示意图，两侧为非磁性金属，中间为自旋过滤层，具有随机自旋取向的电子从非磁性金属的费米能级通过自旋过滤层势垒传导到费米能级更低的金属上，自旋过滤层的导带由于传导电子与磁性原子的交换耦合作用发生劈裂，对自旋向上与向下的电子产生不同的势垒高度，由于金属中传导电子隧穿几率与势垒高度成负相关，即势垒高度越低，电子隧穿几率越大。基于此，磁性半导体材料在自旋电子器件的应用中的重要性不言而喻。

原则上，铁磁和亚铁磁性半导体或绝缘体势垒都具有一定的自旋过滤能力。其中，铕的氧族化物(EuS、EuSe、EuO)、钙钛矿锰氧化物(BiMnO₃、La_0.1Bi_0.9MnO₃)在实验过程中观测到低温条件下的自旋过滤效率，但这些势垒材料的低居里温度使得它们难以应用于实际室温的场景中。而亚铁磁性尖晶石铁氧体具有较高的磁性转变温度，常被用作自旋过滤隧道结的磁性势垒材料。有关实验和第一性原理计算研究表明：尖晶石铁氧体材料(NiFe₂O₄、CoFe₂O₄)为势垒的自旋过滤隧道结在室温可以产生自旋极化电流。

近年来，镍铁氧体薄膜材料凭借高电阻率、低涡流损耗、优异的化学稳定性和与典型的铁磁电极材料有较小的晶格失配等特点而成为自旋电子器件的优选材料。面向发展基于镍铁氧体自旋电子器件的迫切需求，开展突破高质量镍铁氧体薄膜制备与掺杂性能调控的关键科学问题的研究是必要的。但目前其存在薄膜晶体质量差、饱和磁化强度较低等问题，因此通过对镍铁氧体进行掺杂使其磁学性能得到改善，从而提高自旋过滤效率，为小型化、高性能、低功耗的自旋电子器件提供新的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高饱和磁化强度锌掺杂镍铁氧体薄膜及其制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高饱和磁化强度锌掺杂镍铁氧体薄膜的制备方法，所述薄膜为(Ni_1-xZn_x)Fe₂O₄薄膜，其中0.25≤x≤1，方法包括如下步骤：将NiO、ZnO和Fe₂O₃多晶粉末混合，使用固体烧结法，煅烧的升温速率为5-20℃/min，降温速率为3-5℃/min，煅烧温度为1050-1200℃，烧结时间为12-36h，获得圆片形锌掺杂镍铁氧体多晶靶材；在氧分压维持在1-10Pa的条件下，以所述锌掺杂镍铁氧体多晶靶为靶材，利用脉冲激光沉积法，设置激光能量为200-400mJ，设置脉冲数为20000-25000，脉冲频率为10Hz，靶间距4-6cm，在MgAl₂O₄单晶衬底上获得所述薄膜。