[发明专利]铁磁性铬氧化物纳米颗粒薄膜的低温低压气相制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种铁磁性纳米材料，具体地说是涉及一种铁磁性铬氧化物纳米颗粒薄膜的低温低压气相制备方法。

背景技术：

CrO₂是一种技术上非常重要的过渡金属二元氧化物铁磁材料。20世纪60年代末期以来，针状CrO₂微米磁粉被广泛用于磁记录材料。近年来发现CrO₂具有半金属特性，在自旋向上的完全自旋极化状态，成为剩余电阻率小到5μΩcm的金属，并呈现显著的巨磁电阻效应；而在自旋向下的能态，则成为半导体。并且，CrO₂的居里温度高达390K，远高于其它的铁磁性半金属的居里温度，因此，CrO₂在磁电子学器件中具有重要的潜在应用价值。

高密度存储与磁电子器件的发展，对于在与器件制备工艺相兼容的条件下制备高质量磁性纳米颗粒密集薄膜提出了很大的需求。CrO₂纳米颗粒由于其半金属铁磁体的交换偏置效应，可导致其磁滞回线的单方向移动，以及矫顽力的提高，从而可在纳米尺度对其磁性质进行操纵和控制，克服超顺磁极限，这种特性在开发Tbit/in²的超高密度存储方面具有很好的应用前景。

但由于CrO₂属铬氧化物的亚稳相，容易转变为其它氧化态，如在288℃以上的温度及一个大气压的氧气氛中CrO₂会分解为反铁磁性的Cr₂O₃，造成在常规气相条件下制备CrO₂纳米结构薄膜受到限制。CrO₂的传统的制备过程通常需要在高压下进行。工业上，通过在高压氧气氛中分解铬酐，或在50-200大气压水蒸汽中水热分解CrO₃来制备CrO₂粉末，可以得到微米直径的针型粉末，但无法制备纳米直径的球形颗粒。K.-Y.Wang等试图由体材料球磨制备CrO₂纳米粉体(J.Appl.Phys.，91，8204(2002))，但在球磨过程中发生CrO₂转变成Cr₂O₃。目前，见诸文献报导的能够较好地制备高质量CrO₂连续薄膜的唯一方法是以CrO₃或CrO₂Cl₂等为先驱物的化学气相沉积(CVD)，但未见有通过这种方法获得单分散的CrO₂纳米颗粒薄膜的报导。为了与高密度存储器件与磁电子器件的主流制备工艺兼容，发展铁磁性铬氧化物纳米颗粒薄膜的常温低压合成方法是具有重要意义的。但是，长期以来，通过常规的物理气相沉积无法得到高品质的CrO₂薄膜，制备高品质的CrO₂纳米颗粒膜多年来亦被认为是一个不易解决的问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种铁磁性铬氧化物纳米颗粒薄膜的低温低压气相制备方法。

磁性纳米颗粒及其组成的纳米结构薄膜，当纳米颗粒的尺寸达到数纳米到数十纳米量级，往往呈现大尺寸体材料所不具备的奇异磁特性，在磁电子材料与器件等的研究和发展中具有重要的价值。以CrO₂为主要成分的铬氧化物纳米颗粒薄膜是具有半金属特性的铁磁体，由于半金属铁磁体的交换偏置效应，可导致其磁滞回线的单方向移动，以及矫顽力的提高，从而可在纳米尺度对其磁性质进行操纵和控制，克服超顺磁极限，同时处于完全自旋极化状态的CrO₂亦呈现显著的巨磁电阻效应，这些特性使之在Tbit/in²的超高密度存储器件及纳米磁电子器件的开发上具有很好的应用前景。

本发明提出了一种通过气相沉积过程制备球形铬氧化物纳米颗粒密集排列构成的铁磁性纳米结构薄膜的方法。这种方法以金属Cr为先驱物，通过等离子体气相聚集和实时氧化的方法，利用气相聚集过程中独特的成核生长与反应环境，在气相环境中形成Cr氧化物纳米颗粒，并通过差分真空系统，使所形成的纳米颗粒在高真空下沉积在基片上，在室温下形成纳米颗粒密排薄膜。这种方法基于物理气相沉积，所有过程在常温低压下完成，与高密度存储器件与磁电子器件的主流制备工艺具有很好的兼容性。

本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的：

本发明提出了一种采用物理气相沉积的办法制备高品质的具有半金属铁磁特性的铬氧化物纳米颗粒薄膜的方法。此方法可应用于高密度存储器件与纳米磁电子器件的制备工艺流程中，具有工艺简单、稳定、效率高、易于规模化等特点。