磁控共溅射制备面内磁化哈斯勒合金薄膜的方法与流程

本发明属于磁性材料领域，特别涉及用于磁存储器件以及各类传感器的一种磁控共溅射制备面内磁化哈斯勒合金薄膜的方法。

背景技术：

在传统的微电子学中，传统的电子学器件通常是利用电子的电荷特性，是不考虑电子的自旋状态的。但是随着计算机科学的飞速发展，计算机芯片的体积的要求在不断地减小，而存储容量的要求也在不断地扩大，基于电子的电荷特性的传统电子学己不能满足科学发展和人类的要求。在科学与需求的推动下，电子的自旋特性被科学家和研究者们关注并加以利用来进一步地提高信息处理的速度和存储密度。在这样的背景下，一门新的学科一自旋电子学诞生了。自旋电子器件由于对电子的自旋特性加以了利用，大大地提高了电子器件的使用性能，这类器件有着非易失性、数据处理速度快、能耗低和集成度高的优质特性。尽管自旋电子器件有着如此多的高性能，但是在实际的材料需求上有着较高的要求，它要求材料具有高自旋极化率，即在费米能级附近分别具有自旋向上和自旋向下的电子数目不平衡，且越不平衡越有好。

Heusler（哈斯勒） 合金是一种高度有序的具有体心立方结构的金属间化合物，一般分为Full-Heusler 和 Half-Heusler 两种合金，化学通式分别为 X₂YZ 与 XYZ，其中 X 和Y 代表不同的过渡族金属元素，Z 代表 sp （第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ主族）元素。

目前 Heusler 合金的研究结果表明，Heusler 合金具有的复杂的能带结构是由即有局域的 d电子轨道的过渡族元素又有非局域的sp电子轨道的主族元素组合而成的。同时，又由于 Heusler 合金的原子占位与其物理特性密切相关，使同样成分的合金经过不同的制备方式和热处理过程均会影响到晶体结构和原子的有序度，进而调控其电子结构、磁性、相变等。这些因素使得 Heusler合金产生许多新功能材料，诸如铁磁性形状记忆合金与超弹性材料、巨磁电阻材料、超导材料、磁场驱动马氏体相变材料、半金属材料、热电材料以及拓扑绝缘体等许多新功能材料。正是由于 Heusler 合金中蕴藏着如此多的性能，使其在新材料的开发中拥有巨大的应用价值和前景，并成为探索新型功能材料的重要领域之一；同时由于 Heusler合金的高有序结构，为我们能用第一性原理系统的计算研究其电子结构提供了极大地便利。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述哈斯勒合金制备方法的上述不足之处，提供一种磁控共溅射制备面内磁化哈斯勒合金薄膜的方法，利用Co靶、Mn靶和Al靶三靶共溅射，通过调节三靶的溅射功率很好的调整生长薄膜的厚度以及成分，从而控制薄膜的超导性能，获得高居里温度以及百分之百的自旋极化率的铁磁性材料，使其在自旋阀和磁隧道结中作为铁磁层应用时，提高器件的磁电阻效应，实现超高的磁存储密度，

本发明的方法之一包括以下步骤：

1、采用SiO₂作为衬底材料，将衬底材料经过超声波清洗处理后，通过传样品杆传送入磁控溅射真空室中的样品台上；

2、将所需要的靶材放入磁控溅射真空室的靶位上；所述的靶材材料分别为纯度≥99.999%的金属材料X_、Y和Z；所述的金属材料X为Cu、Ni或Co；所述的金属材料Y为Fe、Cr或Mn，所述的金属材料Z为Al、Si、Ge或B；

3、抽真空至磁控溅射室的真空度≤2×10^-5Pa；

4、通过磁控共溅射在衬底材料表面制备哈斯勒合金薄膜，工作气体为纯度≥99.999%的高纯氩气，溅射气压0.01~0.4Pa，沉积速率为5~10nm/min，靶材到衬底材料的距离为20~30cm，溅射时间设定5~10 min，在衬底材料表面制成哈斯勒合金薄膜。

本发明的方法之二包括以下步骤：

1、采用SiO₂作为衬底材料，将衬底材料经过超声波清洗处理后，通过传样品杆传送入磁控溅射真空室中的样品台上；

2、将所需要的靶材放入磁控溅射真空室的靶位上；所述的靶材材料分别为纯度≥99.999%的金属材料Cr、X、Y和Z；所述的金属材料X为Cu、Ni或Co；所述的金属材料Y为Fe、Cr或Mn，所述的金属材料Z为Al、Si、Ge或B；

3、抽真空至磁控溅射室的真空度≤2×10^-5Pa；

4、通过磁控溅射在衬底材料表面制备哈斯勒合金薄膜，工作气体为纯度≥99.999%的高纯氩气，溅射气压0.01~0.4Pa，沉积速率为5~10nm/min，靶材到衬底材料的距离为20~30cm，溅射时间1~2 min，在衬底材料表面制成Cr膜；

5、通过磁控共溅射在衬底材料表面制备哈斯勒合金薄膜，工作气体为纯度≥99.999%的高纯氩气，溅射气压0.01~0.4Pa，沉积速率为5~10nm/min，靶材到衬底材料的距离为20~30cm，溅射时间5~10 min，在衬底材料表面制成哈斯勒合金薄膜。

上述的超声波清洗处理的步骤为：将衬底材料按顺序依次分别置于丙酮、乙醇和去离子水中，并用超声波清洗，在每种液体中超声清洗时间为15~20min，然后用氮气吹干，在200±10℃条件下热处理8~10min，使衬底材料表面残留物去除。

上述两种方法中，哈斯勒合金薄膜的成分为X₂YZ，厚度为48~56nm。

上述的方法之二中，Cr膜的厚度为9~12nm。

上述的SiO₂纯度≥99.9%。

本发明的有益效果为：采用磁控共溅射方法，制备过程中通入高纯氩气，作用是Ar轰击靶材，制备的高纯薄膜平行于磁各向异性，其粗糙度以及矫顽力有明显的变化，制备时间短，纯度高，设备简单，容易操作，成本低。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的哈斯勒合金薄膜的结构示意图；

图2为本发明实施例1制备的哈斯勒合金薄膜的X-射线多晶衍射图；

图3为本发明实施例2制备的哈斯勒合金薄膜的结构示意图；

图4为本发明实施例2制备的哈斯勒合金薄膜的X-射线多晶衍射图；

图5为本发明实施例中不同基板温度以及有无Cr膜的磁化曲线图；

图6为本发明实施例中不同基板温度以及有无Cr膜的表面粗糙度曲线图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的纯度≥99.999%的金属材料（Cr、X、Y和Z）为市购产品。

本发明实施例中采用的X-射线多晶衍射设备型号为ULTIMA IV（日本）。

本发明实施例中测试磁化曲线采用的设备为振动样品磁强计，型号为Lake Shore 7410 VSM。

本发明实施例中测试表面粗糙度采用原子力显微镜，型号为FM-Nanoview 6600。

本发明实施例中采用的衬底材料纯度≥99.9%的SiO₂为市购产品。

本发明实施例中进行磁控溅射时，高纯氩气的流量30SCCM，样品台自转速度为40rpm，溅射功率20 ~40W。

本发明实施例中采用的衬底材料规格为1cm×1cm。

本发明实施例中超声波清洗处理的步骤为：将衬底材料按顺序依次分别置于丙酮、乙醇和去离子水中，并用超声波清洗，在每种液体中超声清洗时间为15~20min，然后用氮气吹干，在200±10℃条件下热处理8~10min，使衬底材料表面残留物去除。

实施例1

采用SiO₂作为衬底材料，将衬底材料经过超声波清洗处理后，通过传样品杆传送入磁控溅射真空室中的样品台上；

将所需要的靶材放入磁控溅射真空室的靶位上；所述的靶材材料分别为纯度≥99.999%的金属材料X_、Y和Z；所述的金属材料X为Co；所述的金属材料Y为Mn，所述的金属材料Z为Al；

抽真空至磁控溅射室的真空度≤2×10^-5Pa；

通过磁控共溅射在衬底材料表面制备哈斯勒合金薄膜，工作气体为纯度≥99.999%的高纯氩气，溅射气压0.01Pa，沉积速率为5nm/min，靶材到衬底材料的距离为20cm，溅射时间设定10 min，在衬底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分为Co₂MnAl，厚度为50nm，结构如图1所示，X-射线多晶衍射结果如图2所示，磁化曲线如图5所示，表面粗糙度曲线如图6所示。

实施例2

采用SiO₂作为衬底材料，将衬底材料经过超声波清洗处理后，通过传样品杆传送入磁控溅射真空室中的样品台上；

将所需要的靶材放入磁控溅射真空室的靶位上；所述的靶材材料分别为纯度≥99.999%的金属材料Cr、X、Y和Z；所述的金属材料X为Co；所述的金属材料Y为Mn，所述的金属材料Z为Al；

抽真空至磁控溅射室的真空度≤2×10^-5Pa；

通过磁控溅射在衬底材料表面制备哈斯勒合金薄膜，工作气体为纯度≥99.999%的高纯氩气，溅射气压0.01Pa，沉积速率为5nm/min，靶材到衬底材料的距离为20cm，溅射时间2 min，在衬底材料表面制成Cr膜，厚度为10nm；

通过磁控共溅射在衬底材料表面制备哈斯勒合金薄膜，工作气体为纯度≥99.999%的高纯氩气，溅射气压0.01Pa，沉积速率为5nm/min，靶材到衬底材料的距离为20cm，溅射时间10 min，在衬底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分为Co₂MnAl，厚度为50nm，结构如图3所示，X-射线多晶衍射结果如图4所示，磁化曲线如图5所示，表面粗糙度曲线如图6所示。

实施例3

方法同实施例1，不同点在于：

（1）金属材料X为Ni；所述的金属材料Y为Cr，所述的金属材料Z为Si；

（2）溅射气压0.1Pa，沉积速率为6nm/min，靶材到衬底材料的距离为24cm，溅射时间设定8 min，在衬底材料表面制成哈斯勒合金薄膜,成分为Ni₂CrSi，厚度为48nm。

实施例4

方法同实施例1，不同点在于：

（1）金属材料X为Cu；所述的金属材料Y为Fe，所述的金属材料Z为Ge；

（2）溅射气压0.2Pa，沉积速率为8nm/min，靶材到衬底材料的距离为28cm，溅射时间设定7min，在衬底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分为Cu₂FeGe，厚度为56nm。

实施例5

方法同实施例2，不同点在于：

（1）金属材料X为Ni；所述的金属材料Y为Cr，所述的金属材料Z为Si；

（2）溅射气压0.1Pa，沉积速率为6nm/min，靶材到衬底材料的距离为24cm，溅射时间1.5 min，在衬底材料表面制成Cr膜，厚度为9nm；

（3）溅射气压0.1Pa，沉积速率为6nm/min，靶材到衬底材料的距离为24cm，溅射时间8min，在衬底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分为Ni₂CrSi，厚度为48nm。

实施例6

方法同实施例2，不同点在于：

（1）金属材料X为Cu；所述的金属材料Y为Fe，所述的金属材料Z为Ge；

（2）溅射气压0.2Pa，沉积速率为8nm/min，靶材到衬底材料的距离为28cm，溅射时间1.5 min，在衬底材料表面制成Cr膜，厚度为12nm；

（3）溅射气压0.2Pa，沉积速率为8nm/min，靶材到衬底材料的距离为28cm，溅射时间7 min，在衬底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分为Cu₂FeGe，厚度为56nm。

实施例7

方法同实施例1，不同点在于：

（1）金属材料X为Cu；所述的金属材料Y为Mn，所述的金属材料Z为B；

（2）溅射气压0.4Pa，沉积速率为10nm/min，靶材到衬底材料的距离为30cm，溅射时间设定5 min，在衬底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分为Cu₂MnB，厚度为50nm。

实施例8

方法同实施例2，不同点在于：

（1）金属材料X为Cu；所述的金属材料Y为Fe，所述的金属材料Z为B；

（2）溅射气压0.4Pa，沉积速率为10nm/min，靶材到衬底材料的距离为30cm，溅射时间1 min，在衬底材料表面制成Cr膜，厚度为10nm；

（3）溅射气压0.4Pa，沉积速率为10nm/min，靶材到衬底材料的距离为30cm，溅射时间5min，在衬底材料表面制成哈斯勒合金薄膜，成分为Cu₂FeB，厚度为50nm。