一种嵌入多纳米片的碲化铬薄膜、其制备方法及应用与流程

2021-01-31 03:01:36|

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本发明属于功能薄膜材料技术领域，具体是磁性薄膜材料技术领域，涉及一种嵌入多纳米片的碲化铬薄膜、其制备方法及应用。

背景技术：

随着科学技术的发展和社会的进步，具有高tc的垂直磁各向异性(perpendicularmagneticanisotropy，pma)效应的材料在应用中至关重要。cr2te3是一种显示pma效应的材料，但tc相对较低，约为180k。人们为了研究改进的tc的物理起源，对其进行了结构分析、磁输运和磁特性的详细分析。特别是这些薄膜的n型特征表明它们是一种富电子材料。利用磁化特性对铁磁(ferromagnetic，fm)有序和反铁磁(antiferromagnetic，afm)有序耦合进行了系统研究。提出了基于fm和afm有序耦合度的现象学模型来解释样品中tc的增强现象。这些结果表明，cr2te3薄膜的tc是可以调节的，本文中的材料可以作为一种具有各种磁性应用潜力的新型磁性材料，其中拓扑霍尔效是本文研究的重点。

拓扑霍尔效应起源于铁磁体和强自旋轨道耦合的纠缠。众多典型的铁磁体中，cr2te3的研究历史悠久，可追溯到1935年。根据化学计量比的不同，cr1-xte具有丰富的结构相图。最近，利用mbe技术合成了具有高质量单晶结构的cr2te3薄膜，该薄膜具有很强的pma。如果能以适当的方式掺杂强自旋轨道耦合元素，cr2te3在接近tc时将表现出显著的拓扑霍尔效应。bi是一种很好的选择，它不仅以其强的自旋轨道耦合而闻名，而且作为一种典型的表面活性剂在mbe中实现了逐层生长。此外，bi具有各种原子层结构，具有非常不寻常的折叠层结构类似于黑磷。然而，利用mbe技术生长嵌入bi纳米片的cr2te3薄膜，其出现拓扑霍尔效应的温度较低，约115k左右。因此，激发了人们积极地探寻更为优异的强自旋轨道耦合材料以及嵌入方式。

技术实现要素：

基于传统分子束外延技术生长的嵌入bi纳米片的cr2te3薄膜拓扑霍尔效应出现的温度过低，本发明的目的为提出一种嵌入多纳米片的cr2te3薄膜，其制备方法及其应用，以提高cr2te3薄膜拓扑霍尔效应出现的温度。本发明所述的制备方法工艺简单，易操作。

基于分子束外延技术制备方法。

本发明是通过以下技术措施构成的技术方案实现的。

一种嵌入多纳米片的碲化铬薄膜的制备方法，其特征在于，基于分子束外延技术制备，包括以下步骤：

步骤1：对砷化镓衬底表面进行除气处理；

步骤2：对砷化镓衬底表面进行脱氧处理；

步骤3：使用束流器对mbe所需的束流比进行校准；

步骤4：通入zn源和se源，利用分子束外延技术在砷化镓衬底上生长硒化锌缓冲层；

步骤5：停止zn源和se源输送，通入cr源、te源和bi源，生长嵌入bi纳米片的cr2te3薄膜；

步骤6：停止bi源输送，同时通入cr源、te源和pb源，生长嵌入pb纳米片的cr2te3薄膜。

进一步地，步骤1所述除气过程为：首先将砷化镓衬底送入进样室中，在150℃-250℃下加热处理2h以除去基片上吸附的水汽；然后将衬底转移到预处理室中，在300℃-500℃下进行预除气2h；最后，将处理好的衬底转移到mbe生长室中，在生长室氮气的保护下，高温600℃以上环境中再次进行30min除气处理。

进一步地，步骤2中所述脱氧处理温度为580℃条件下进行，直至反射高能电子衍射仪能够检测出条状图案。

进一步地，步骤3中所述流束比为锌流束和硒流束比为4，bi流束、cr流束和te流束比为2：1：10，pb流束、cr流束和te流束比为2：1：10。

进一步地，步骤4中生长硒化锌缓冲层的温度为250℃-300℃，生长时间为150min。

进一步地，步骤5中的生长速度为1nm/min，生长温度为350℃-400℃，生长时间为15min-45min。

进一步地，步骤6中的生长速度为1nm/min，生长温度为350℃-400℃，生长时间为30min-45min。

所述制备方法制备的嵌入多纳米片的碲化铬薄膜，其特征在于，在碲化铬薄膜中镶嵌有bi纳米片和pb纳米片。

所述嵌入多纳米片的碲化铬薄膜的应用，其特征在于，用于磁性薄膜。

由于cr2te3具有垂直磁各向异性以及嵌入强自旋轨道耦合可出现拓扑霍尔效应的性质，作为一种新型磁性材料具有广阔的应用前景，本文提出了一种基于分子束外延技术制备嵌入纳米片的cr2te3薄膜方法。相比于传统的在cr2te3中仅嵌入bi或者pb等具有强自旋轨道耦合的纳米片并改变纳米片的厚度以出现拓扑霍尔效应和调节tc的方法，本发明通过先嵌入bi纳米片再嵌入pb纳米片的方法，使cr2te3薄膜中同时嵌入bi纳米片和pb纳米片，能够有效地调节tc，使tc位于大约在170k-180k之间，并且提高拓扑霍尔效应出现的温度至115k以上。

附图说明

图1为生长在gaas衬底上嵌入bi纳米片和pb纳米片的cr2te3薄膜的结构模拟图。

图2为嵌入bi纳米片和pb纳米片的cr2te3薄膜的结构模拟图。

图中：1-gaas衬底；2-znse缓冲层；3-嵌入bi纳米片和pb纳米片的cr2te3薄膜；4-pb纳米片；5-嵌入bi纳米片的cr2te3薄膜；6-bi纳米片；7-嵌入pb纳米片的cr2te3薄膜。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1：

具体实施步骤如下：

步骤1：首先将gaas衬底1送入进样室中，在200℃下加热处理2h以除去基片上吸附的水汽；然后将衬底转移到预处理室中，在400℃下进行预除气2h；最后，将处理好的衬底转移到mbe生长室中，在生长室v族元素气氛的保护下，高温650℃环境中再次进行30min除气处理。

步骤2：将gaas衬底1在580℃下进行脱氧处理，直至反射高能电子衍射仪能够检测出条状图案。

步骤3：使用束流器对mbe所需的束流比进行校准，流束比为zn流束和se流束比为4，bi流束、cr流束和te流束比为2：1：10，pb流束、cr流束和te流束比为2：1：10。

步骤4：将衬底温度设置为260℃，打开zn源和se源快门开关，利用mbe在gaas衬底1上生长znse缓冲层2，生长时间为150min。

步骤5：关闭zn源和se源快门开关，打开cr源、te源和bi源快门开关，生长速度为1nm/min，生长温度设置为370℃，生长时间为30min，生长嵌入bi纳米片6的cr2te3薄膜5。

步骤6：关闭bi源快门开关，打开pb源快门开关，生长速度为1nm/min，生长温度设置为370℃，生长时间为45min，生长嵌入pb纳米片4的cr2te3薄膜7；最终获得的在gaas衬底上嵌入bi纳米片和pb纳米片的cr2te3薄膜如图1、图2所示，镶嵌有bi纳米片6的cr2te3薄膜5与嵌入pb纳米片4的cr2te3薄膜7上下堆叠在一起。

实施例2：

具体实施步骤如下：

步骤2：将gaas衬底1在580℃下进行脱氧处理，直至反射高能电子衍射仪能够检测出条状图案。

步骤4：将衬底温度设置为260℃，打开zn源和se源快门开关，利用mbe在gaas衬底1上生长znse缓冲层2，生长时间为150min。

步骤5：关闭zn源和se源快门开关，打开cr源、te源和bi源快门开关，生长速度为1nm/min，生长温度设置为370℃，生长时间为45min，生长嵌入bi纳米片6的cr2te3薄膜5。

步骤6：关闭bi源快门开关，打开pb源快门开关，生长速度为1nm/min，生长温度设置为370℃，生长时间为30min，生长嵌入pb纳米片4的cr2te3薄膜7；最终获得的在gaas衬底上嵌入bi纳米片和pb纳米片的cr2te3薄膜如图1、图2所示，镶嵌有bi纳米片6的cr2te3薄膜5与嵌入pb纳米片4的cr2te3薄膜7上下堆叠在一起。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

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