脉冲激光沉积与自旋电子学.doc

脉冲激光沉积与自旋电子学正文：1，脉冲激光沉积简介 脉冲激光沉积薄膜是近年来发展起来的使用范围最广, 最有希望的制膜技术。通过从激光与材料相互作用理论出发, 分析了激光烧蚀材料等离子体羽辉的空间运动特征与成分分布, 以LCMO 为对象, 对PLD 系统脉冲激光沉积薄膜过程中薄膜质量与衬底温度、靶材- 衬底距离、氧压、激光脉冲能量、激光频率等参数关系进行了实验研究, 得出在单晶衬底上沉积LCMO 薄膜的最佳实验参数。同时用XRD 衍射谱和SEM 分别对膜的成键情况和表面形貌作了分析, 结果表明脉冲激光沉积(PLD) 是一种很好的镀膜方法, 所制备的膜质量较好。1 PLD 系统概述脉冲沉积系统一般由脉冲激光器、光路系统(光阑扫描器、会聚透镜、激光窗等) ; 沉积系统(真空室、抽真空泵、充气系统、靶材、基片加热器) ; 辅助设备(测控装置、监控装置、电机冷却系统) 等组成(如图1所示)。1. 1PLD 原理整个PLD 镀膜过程通常分为三个阶段。1. 1. 1激光与靶材相互作用产生等离子体激光束聚焦在靶材表面, 在足够高的能量密度下和短的脉冲时间内, 靶材吸收激光能量并使光斑处的温度迅速升高至靶材的蒸发温度以上而产生高温及烧蚀, 靶材汽化蒸发, 有原子、分子、电子、离子和分子团簇及微米尺度的液滴、固体颗粒等从靶的表面逸出。这些被蒸发出来的物质反过来又继续和激光相互作用, 其温度进一步提高, 形成区域化的高温高密度的等离子体, 等离子体通过逆韧致吸收机制吸收光能而被加热到104K 以上, 形成一个具有致密核心的明亮的等离子体火焰。1. 1. 2等离子体在空间的输运(包括激光作用时的等温膨胀和激光结束后的绝热膨胀)等离子体火焰形成后, 其与激光束继续作用, 进一步电离, 等礼子体的温度和压力迅速升高, 并在靶面法线方向形成大的温度和压力梯度, 使其沿该方向向外作等温(激光作用时) 和绝热(激光终止后) 膨胀,此时, 电荷云的非均匀分布形成相当强的加速电场。在这些极端条件下, 高速膨胀过程发生在数十纳秒瞬间, 迅速形成了一个沿法线方向向外的细长的等离子体羽辉。1. 1. 3等离子体在基片上成核、长大形成薄膜激光等离子体中的高能粒子轰击基片表面, 使其产生不同程度的辐射式损伤, 其中之一就是原子溅射。入射粒子流和溅射原子之间形成了热化区, 一旦粒子的凝聚速率大于溅射原子的飞溅速率, 热化区就会消散, 粒子在基片上生长出薄膜。这里薄膜的形成与晶核的形成和长大密切相关。而晶核的形成和长大取决于很多因素, 诸如等离子体的密度、温度、离化度、凝聚态物质的成分、基片温度等等。随着晶核超饱和度的增加, 临界核开始缩小, 直到高度接近原子的直径, 此时薄膜的形态是二维的层状分布。1.2PLD 特点脉冲激光沉积技术是目前最有前途的制膜技术,该技术简单且有很多优点。(1) 可对化学成分复杂的复合物材料进行全等同镀膜, 易于保证镀膜后化学计量比的稳定。与靶材成分容易一致是PLD 的最大优点, 是区别于其他技术的主要标志。(2) 反应迅速, 生长快。通常情况下一小时可获1Lm 左右的薄膜。(3) 定向性强、薄膜分辩率高, 能实现微区沉积。(4) 生长过程中可原位引入多种气体, 引入活性或惰性及混合气体对提高薄膜质量有重要意义。(5) 易制多层膜和异质膜, 特别是多元氧化物的异质结, 只需通过简单的换靶就行。(6) 靶材容易制备不需加热, 等离子能量高能量大于10eV , 离子能量1000eV 左右, 如此高的能量可降低膜所需的衬底温度, 易于在较低温度下原位生长取向一致的结构和外延单晶膜。(7) 高真空环境对薄膜污染少可制成高纯薄膜;羽辉只在局部区域运输蒸发, 故对沉积腔污染要少地多。(8) 可制膜种类多, 几乎所有的材料都可用PLD制膜, 除非材料对该种激光是透明的。同时PLD 技术也存在一些缺点, 主要表现在: 脉冲瞬间沉积时不能避免产生液滴及大小不一的颗粒的形成. 会以大的团簇形状存留在膜中, 影响膜的质量; 薄膜厚度不够均匀. 融蚀羽辉具有很强的方向性, 在不同的空间方向, 等离子体羽辉中的粒子速率不尽相同, 使粒子的能量和数量的分布不均匀; 等离子局域分布难以形成大面积的薄膜。2.在PLD 中准分子激光相对于其它激光的优点目前PLD 制备薄膜所使用的激光器大多是准分子激光器和N d: YA G 激光器。由于N d: YA G 激光与材料之间有热消融作用4 , 这会使材料的消融区出现伸展裂纹, 有可见的热损害, 因而不是PLD 制备薄膜的最理想激光光源。准分子激光器的发射波长几乎都在200 400nm 之间, 光子能量大符合薄膜沉积的需要。这是因为吸收系数随着光波长的变短而趋于增加, 大多数用于薄膜沉积的材料在此光谱区间都表现出了强烈的吸收特性, 而使激光进入靶材的穿透深度变小, 靶材被溅射的表面层厚度也将变小。同时, 在短波段的强烈吸收还有助于溅射流阈值的降低。但是,当激光光波长小于200nm 时, 分子氧的Schumann2Runge 带吸收将变强, 导致了色心的出现, 使得溅射工作变得困难, 靶材也将受到损坏。目前使用较多的是工作气体为KrF、波长为248nm 的准分子激光。其他准分子激光的工作气体及其光波波长(nm ) 分别为: Kr2: 145、F2: 157、Xe2: 172、A rF: 193、KrCl:222、XeCl: 308、XeF: 351 等。镀膜操作过程镀膜工艺流程为: 清洗衬底安装靶材放置衬底抽真空衬底加热充氧沉积薄膜退火。关键步骤如下:(1) 分子泵抽真空: 直到真空度小于10- 4Pa 时,才达到镀膜要求。真空度低时会引入杂质。(2) 对衬底加热: 在抽真空过程中, 应边抽边缓慢地增加衬底温度, 直到衬底温度达到沉积膜时需要的温度, 同时用红外测温仪对衬底温度进行实时监控。(3) 开机械泵管阀充氧: 让流入的氧与被机械泵抽出去的氧达到动态平衡。(4) 沉积薄膜: 同时打开靶自转开关让靶自转,就可打开激光开始沉积薄膜, 沉积时间为20m in.(5) 退火: 待沉积薄膜时间到时, 关闭激光器, 设定退火温度和退火氧压, 此时就开始缓慢退火, 退火时间一般为1h. 待退火时间到时, 缓慢地降低温度到室温, 然后关氧, 关电源, 完成镀膜过程。3. 3镀膜中的关键因素及最佳参数 3. 3. 1衬底温度是决定薄膜质量好坏的最关键因素, 给衬底加热有利于颗粒在膜上加快迁移, 有利于结晶。若衬底温度低, 沉积原子还来不及排列好, 又有新的原子到来,则往往不能形成单晶膜; 若温度甚低, 原子很快冷却,难以在衬底上迁移, 这样会形成非晶薄膜。若衬底温度过高, 则热缺陷大量增加, 也难以形成单晶膜。实验得出800是最好的沉积温度。 3. 3. 2靶材与基底的距离距离太远时羽辉中的离子就会复合成大颗粒; 太近时羽辉的离子能量大、速度快就会把膜和衬底打坏。实验表明距离为4cm 时, 效果较好。 3. 3. 3氧压和退火温度等离子羽辉中的氧离子会结合成氧气跑掉, 充氧压的目的就是为了补充薄膜中缺失的氧。但氧压不宜过高, 过高的氧压会使溅射产生的粒子经受大量的碰撞而散射, 使其失去大部分能量。退火时温度太低不利于薄膜重新结晶且氧不能很好地补充进去; 温度太高时, 已形成的薄膜会分解。实验得出氧压取30Pa 比较理想。 3. 3. 4靶材的致密度致密度要高, 若太疏松就会把大块和大颗粒打下, 来造成膜的粗糙和不均匀, 影响膜的质量。 3. 3. 5激光能量能量太低产生不了溅射或者溅射少沉积速度慢,随着能量的增加薄膜沉积速率、粒子平均尺寸、等离子体羽辉得空间分布也随之改变, 能量过大时会有大颗粒出现, 薄膜表面光洁度降低。实验中取400mJ 比较好。 3. 3. 6激光频率频率太高时沉积在膜上的颗粒还未运动开来, 下一批溅射的颗粒已落下来, 这样就会造成堆积从而形成不均匀膜; 频率太低时, 间隔时间长杂质就会进入薄膜, 降低膜的质量。实验中一般取4Hz.二、自旋电子学及其器件应用自旋电子学自1994 年被确认为凝聚态领域的一个新型交叉学科而倍受科学界和电子工业界的关注，具有广阔的应用前景。自旋电子学的出现被称为是1999年物理学界十大重大事件之一，它的研究已经成为凝聚态物理、信息科学及新材料等诸多领域共同关注的研发热点，并将成为本世纪信息产业的基础，对未来的电子工业发展将起到举足轻重的作用。 作为现代信息产业基本元素的半导体器件，是以电子（ 或空穴）的电荷特征来传递信息，而电子自旋由于随机取向，因而不携带信息。具体地说，通常电子在输运过程中由于碰撞而导致自旋磁矩在空间的取向混乱，因此在宏观输运性质中仅需要考虑电子具有电荷就足够了。自旋电子学不仅利用电荷，而且需利用电子的自旋特性，它将通过操纵电子自旋来进行信息处理。随着微加工技术和大规模集成电路的发展，电子器件的尺寸越做越小，当尺度在纳米范围内，自旋在很多方面要比电荷更优越，如数据处理快、能耗低、集成度高、稳定性好等。因此，自旋电子将会逐步取代微电子而成为工业的主流。自旋电子学器件的应用，特别是在计算机信息产业中的应用已取得了巨大的成绩，如利用巨磁电阻（GMR）效应做的磁头用在计算机（ 2000年世界硬盘的产量已达2 亿台） 硬盘存储上，使记录密度由1988年的50Mb/in发展到.2003年的100Gb/in2，提高了千倍之多。这充分表明了GMR 是未来外存储器市场最重要的类型产品，它将促进我国计算机技术的发展并带来巨大的经济效益。此外，利用GMR效应制备的磁随机存取存储器(MRAM) 作为计算机内存芯片将是下一步推进计算机技术发展的一场革命，并有可能取代半导体芯片。19992001年，美国的IBM、摩托罗拉，德国的infineon等公司先后研制成功了实用的MRAM芯片。我国对自旋电子学的研究主要集中在GMR材料和物理以及过渡族氧化物材料的超大磁电阻效应方面。在高灵敏度传感器和硬盘磁头研究中均包含创新性的工作。2、GMR 磁头和传感器通常金属中的磁电阻都很小，在1%3%左右。而在铁磁)非铁磁)铁磁金属多层膜结构中获得的磁电阻已达18%24%，比通常金属的MR要大的多，因此被称为巨磁电阻（GMR）。GMR产生机制起因于两边铁磁层中电子的磁化（ 磁矩）方向，当电子通过与电子平均自由路程相当的纳米铁磁薄膜时，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向相一致的电子较易通过，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向不一致的电子难以通过，从而使磁电阻发生很大的变化。构成GMR磁头和传感器的核心元件是自旋阀。它的基本结构是两边为铁磁层，中间为由非铁磁层构成的多层膜。其中，一边的铁磁层矫顽力大，磁矩固定不变，称为钉扎层；而另一层铁磁层为自由层。由于钉扎层的磁矩与自由层的磁矩之间的夹角发生变化导致GMR元件的电阻值改变从而使读出电流发生变化。通过降低自由层的厚度，可提高磁头和传感器的灵敏度。目前用这种GMR磁头，可以读出100Gbpi 面记录信息。1995年，在铁磁)绝缘体)铁磁的夹层薄膜结构上观测到室温隧穿磁电阻TMR效应，并获得高达40%的磁电阻变化率，是TMR效应的数倍。因此，灵敏度检测得到了进一步的提高。目前，科学家们正在积极研究和开发这种TMR元件。实际上，磁头是一种检测磁场强弱、把磁信号变换成电信号的磁传感器。利用磁电阻（MR）