一种磁性Fe3Si颗粒膜的制备方法

本发明公开了一种磁性Fe3Si颗粒膜的制备工艺，它包括下述步骤：首先，选取单晶Si片作衬底，清洗吹干；然后在衬底上先溅射沉积一层Si膜，再溅射沉积一层Fe膜，形成Si/Si/Fe结构，使Fe膜和Si膜的膜厚比约为3:1；最后放置于高真空热处理炉中650～750℃退火1～4小时获得Fe‑Si化合物中的金属相Fe3Si磁性颗粒膜。与现有技术相比，本发明采用分层溅射的方法制备Fe3Si磁性颗粒膜，工艺参数易于控制，且复合薄膜均匀，重复性良好，在工艺复杂性，成本和大规模生产上都有着突出优越性，在自旋电子器件领域具有广阔的应用前景。

技术领域
本发明涉及一种磁性Fe₃Si颗粒膜的制备方法。
背景技术
Fe3Si是一种高居里温度（高达840K）、高自选极化率的铁磁性材料，通过估算，有序DO3结构的Fe3Si在费米能级上是高度自旋极化的，理论上可以达到100%，在室温下已证实存在自旋注入，因此，在电子的自旋注入方面Fe3Si是引人瞩目的材料。Fe3Si凭借其优异性能而展现出在未来信息系统发展趋势的自旋电子器件领域的广阔应用前景。目前，Fe3Si磁性颗粒膜的制备采用脉冲激光沉积、磁控溅射等方法。而制备多是采用复合靶，由于Fe和Si的沉积速率不同，会造成复合靶沉积的薄膜的原子百分比难以控制，并且定做复合靶成本较高，不利于实现工业化推广。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种磁性Fe₃Si颗粒膜的制备方法，以克服现有技术存在的工艺参数难控制，成本较高，难于大规模生产等缺点。本发明的技术方案是：一种磁性Fe3Si颗粒膜的制备方法，它包括下述步骤：第一步骤，选取单晶Si片作衬底，清洗吹干；第二步骤，在衬底上先溅射沉积一层Si膜，再溅射沉积一层Fe膜，形成Si/Si/Fe结构；第三步骤，将上述步骤得到的样品放置于高真空热处理炉中退火，获得Fe-Si化合物中的金属相Fe3Si磁性颗粒膜。所述第二步骤中的Si/Si/Fe结构，沉积Fe膜厚度与Si膜厚度比为2:1-4:1。所述第二步骤中溅射真空度小于等于5.0 ×10-5Pa。所述第二步骤中，室温下溅射沉积条件如下：溅射气压2.0Pa，氩气流量15sccm，溅射功率110W，溅射总膜厚80～400nm。在所述第三步骤中，高真空热处理炉真空度达到8.0×10-4Pa后升温至650～750℃，退火时间为1～4小时。整个退火过程真空度不低于2.0×10-3Pa。本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明采用分层溅射的方法制备Fe3Si磁性颗粒膜，工艺参数易于控制，且复合薄膜均匀，重复性良好，在工艺复杂性，成本和大规模生产上都有着突出优越性，在自旋电子器件领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明在退火温度为650℃，退火时间为1h，总膜厚为80～400nm制备的样品X射线衍射图；图2-图6为本发明制备的样品扫描电镜图，即在650℃退火时间为1h，总膜厚为80～400nm的扫描电镜图；图7为本发明在退火温度为650℃，退火时间为1～4h，总膜厚为160nm制备的样品X射线衍射图；图8为本发明在退火温度为650～750℃，退火时间为1h，总膜厚为160nm制备的样品X射线衍射图。
具体实施方式
本发明的实施例1：（1）将单面抛光的N型不掺杂Si（111）单晶片（电阻率ρ>1000Ωcm）依次在丙酮、无水酒精、去离子水中超声清洗15分钟，然后在氢氟酸：去离子水为1：50的稀溶液中浸蚀60秒，再用去离子水超声清洗3分钟，吹干后，将Si片固定在托盘上，送入磁控溅射系统的样品室，并对Si衬底表面进行反溅射离子清洗，一方面去除附着在表面的杂质和氧化物，另一方面增加Si衬底表面的微观粗糙度，提高薄膜在衬底表面的附着力。之后送入磁控溅射系统的溅射室。（2）当溅射室真空度小于等于5.0 ×10^-5Pa后，首先在Si片上溅射沉积一层Si膜，再溅射沉积一层Fe 膜，形成Si/Si/Fe结构，使Fe膜厚度与Si膜厚度比约为3:1，溅射参数见表1。溅射用的Fe靶（纯度为99.95%）直径60 mm、厚度为2 mm，溅射用的本征Si靶（纯度为99.99%）直径60 mm、厚度为5mm。在正式溅射前，溅射清洗Fe靶和Si靶表面10 min，主要去除靶材表面的氧化层。（3）溅射完成后自然冷却至室温，取出样品放置于加盖钼盒中，将钼盒放入高真空热处理炉的均温区，抽真空至8.0×10^-4Pa后升温至650℃，恒温1小时，自然降温，退火参数见表1。整个退火过程真空度优于2.0×10^-3Pa，退火后形成Fe₃Si磁性颗粒膜。图1为650℃退火1h，溅射总膜厚为80～400nm制备的样品的X射线衍射图，图中可见，除衬底Si衍射峰和富余Fe衍射峰外，出现了Fe₃Si衍射峰，且与PDF标准谱（卡片号：42-1329）中Fe₃Si衍射峰的晶面（422）（220）一一对应，说明本发明所述制备条件下，制备了结晶状况良好的Fe₃Si颗粒膜。图2-图6为溅射总膜厚为80～400nm，退火温度为650℃，退火时间1h制备的样品表面形貌的扫描电镜图，结果显示溅射总膜厚为160 nm，退火温度为650℃，退火时间1h，Fe₃Si颗粒较密集，且分布均匀，平均颗粒尺寸约为5μm。在实验所采用的退火条件下，不同溅射总膜厚均有良好的Fe₃Si颗粒出现。表1 溅射及退火条件                      本发明的实施例2：（1）将单面抛光的N型不掺杂Si（111）单晶片（电阻率ρ>1000Ωcm）依次在丙酮、无水酒精、去离子水中超声清洗15分钟，然后在氢氟酸：去离子水为1：50的稀溶液中浸蚀60秒，再用去离子水超声清洗3分钟，吹干后，将Si片固定在托盘上，送入磁控溅射系统的样品室，并对Si衬底表面进行反溅射离子清洗，一方面去除附着在表面的杂质和氧化物，另一方面增加Si衬底表面的微观粗糙度，提高薄膜在衬底表面的附着力。之后送入磁控溅射系统的溅射室。（2）当溅射室真空度小于等于5.0 ×10^-5Pa后，首先在Si片上溅射沉积一层Si膜，再溅射沉积一层Fe 膜，形成Si/Si/Fe结构，使Fe膜厚度与Si膜厚度比约为3:1，溅射参数见表2。溅射用的Fe靶（纯度为99.95%）直径60 mm、厚度为2 mm，溅射用的本征Si靶（纯度为99.99%）直径60 mm、厚度为5mm。在正式溅射前，溅射清洗Fe靶和Si靶表面10 min，主要去除靶材表面的氧化层。（3）溅射完成后自然冷却至室温，取出样品放置于加盖钼盒中，将钼盒放入高真空热处理炉的均温区，抽真空至8.0×10^-4Pa后升温至650℃，恒温1～4小时，自然降温，退火参数见表2。整个退火过程真空度优于2.0×10^-3Pa，退火后形成Fe₃Si磁性颗粒膜。图7为溅射总膜厚为160nm，650℃退火时间为1～4h的X射线衍射图，图中可见，除衬底Si衍射峰和富余Fe衍射峰外，出现了Fe₃Si衍射峰，且与PDF标准谱（卡片号：42-1329）中Fe₃Si衍射峰的晶面（422）（220）一一对应，说明本发明所述制备条件下，制备了结晶状况良好的Fe₃Si颗粒膜。表2 溅射及退火条件                      本发明的实施例3：（1）将单面抛光的N型不掺杂Si（111）单晶片（电阻率ρ>1000Ωcm）依次在丙酮、无水酒精、去离子水中超声清洗15分钟，然后在氢氟酸：去离子水为1：50的稀溶液中浸蚀60秒，再用去离子水超声清洗3分钟，吹干后，将Si片固定在托盘上，送入磁控溅射系统的样品室，并对Si衬底表面进行反溅射离子清洗，一方面去除附着在表面的杂质和氧化物，另一方面增加Si衬底表面的微观粗糙度，提高薄膜在衬底表面的附着力。之后送入磁控溅射系统的溅射室。（2）当溅射室真空度小于等于5.0 ×10^-5Pa后，首先在Si片上溅射沉积一层Si膜，再溅射沉积一层Fe 膜，形成Si/Si/Fe结构，使Fe膜厚度与Si膜厚度比约为3:1，溅射参数见表3。溅射用的Fe靶（纯度为99.95%）直径60 mm、厚度为2 mm，溅射用的本征Si靶（纯度为99.99%）直径60 mm、厚度为5mm。在正式溅射前，溅射清洗Fe靶和Si靶表面10 min，主要去除靶材表面的氧化层。（3）溅射完成后自然冷却至室温，取出样品放置于加盖钼盒中，将钼盒放入高真空热处理炉的均温区，抽真空至8.0×10^-4Pa后升温至650～750℃，恒温1小时，自然降温，退火参数见表1。整个退火过程真空度优于2.0×10^-3Pa，退火后形成Fe₃Si磁性颗粒膜。图8为溅射总膜厚为160nm，退火时间为1h，退火温度为650～750℃的X射线衍射图，图中可见，除衬底Si衍射峰和富余Fe衍射峰外，出现了Fe₃Si衍射峰，且与PDF标准谱（卡片号：42-1329）中Fe₃Si衍射峰的晶面（422）（220）一一对应，说明本发明所述制备条件下，制备了结晶状况良好的Fe₃Si颗粒膜。表3 溅射及退火条件