[发明专利]金属/Mn:TiO2/Nb:SrTiO3/金属异质结的制备及电场调控磁性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属/ Mn:TiO₂/Nb:SrTiO₃/金属异质结的制备及电场调控磁性的方法。 

背景技术

稀磁半导体是一种能同时利用电子的电荷和自旋属性，并兼具铁磁性能和半导体性能的自旋电子学材料，借助这种材料可以实现电子自旋的注入、控制和输运，将自旋极化的电流注入半导体材料当中以实现信息的处理等功能, 特别是最近发现的具有室温铁磁性的宽禁带稀磁性氧化物体系，这些氧化物材料可以实现室温下的自旋过滤作用，将使自旋电子器件的实现实用化，成为自旋电子学领域的研究热点。 

材料的结构与组分是其性能的决定因素，因此，研究稀磁半导体薄膜制备条件对其结构、组分影响一直是广大研究者关注的课题。研究发现样品的性质往往依赖于制备方法及生长工艺，各个样品的磁性表现不相一致，对铁磁性起源没有统一的解释等等。H.Chou在研究Co掺杂的ZnO 薄膜的磁性与电导关系时，认为束缚磁激子半径与氧空位的浓度有关，随着氧空位浓度的增大，束缚磁激子半径越大，表现为铁磁性，相反，就没有磁性，他们认为稀磁半导体的磁性与氧空位有很大的关系。对薄膜样品进行高温退火处理,都可以改变材料的结构相变. J.P. Xu等人用溶胶凝胶法制备Mn:TiO₂多晶薄膜样品，锐钛矿相和锐钛矿、金红石混合相的样品在室温下均表现为铁磁性，并发现当样品的晶体结构从锐钛矿相向金红石相转变时，单位Mn离子磁矩增加。Kaser等人在Cr:TiO₂薄膜和Co:TiO₂薄膜中，也证明了结晶质量完美的薄膜没有出现铁磁性，而结晶质量较差，缺陷（氧空位）密度大的样品具有铁磁性，其居里温度达到400-700℃，但是在其导带中没有发现自旋极化，也就表明结晶质量差的样品不适合做自旋场效应管。从上面的叙述看，样品的结晶质量与制备工艺有关。而且，磁性半导体研究目前还有很多问题没有解决，因此，研究氧化物磁性半导体中成分、结构、氧分压等因素对磁性、输运以及磁光等物理性质的影响以及如何实现对薄膜的组分、结构及氧空位的有效调控，从而获得所需性能的薄膜，仍然是研究者关注的焦点。基于过渡金属掺杂的稀磁半导体器件在许多问题上还没有统一的认识，同时实际应用中发现不同的制备方法得到的自旋电子器件其居里温度相差很大，且不能行之有效地控制磁性的大小。稀磁半导体中本征铁磁性的来源是什么？是直接耦合还是间接耦合,是通过空位还是以载流子为媒介？这同样也是所有这类基础研究需要回答的最根本的问题。以及如何在半导体中实现自旋极化载流子的注入、输运、操控和检测等是半导体自旋电子技术投入应用前所必须解决的关键问题。 

发明内容

本发明目的在于提供一种Mn:TiO₂稀磁半导体薄膜的制备及电场调控薄膜铁磁性的方法。 

本发明获国家自然科学基金青年基金项目(NO:11304051)、中国博士后基金(NO:2014M551545)和广西自然科学基金(2014GXNSFBA118021)，选取Mn:TiO₂稀磁半导体薄膜作为研究对象，薄膜样品的制备是在我们实验室的超高真空分子束外延设备上（德国omicron公司制造）完成的。我们采用了以离子化N₂ 和O₂作为气源，以固态Ti和Mn作为金属源。 

具体步骤为： 

  （1）Nb:SrTiO₃衬底先用无水丙酮去油，把Nb:SrTiO₃衬底放入无水丙酮中用超声波清洗器清洗10-15分钟，接着先后用无水乙醇和去离子水清洗Nb:SrTiO₃衬底，去除Nb:SrTiO₃衬底表面吸附的灰尘和碳粉颗粒，使Nb:SrTiO₃衬底表面平整而光滑，为薄膜的生长提供最佳的条件。