[发明专利]一种具有交换偏置效应的铁氧化物薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能薄膜领域，具体涉及一种具有交换偏置效应的铁氧化物薄膜及其制备方法。

背景技术

在两种物相形成的界面区域，一个最为重要的特征就是对称性的破缺。电荷、自旋、轨道和晶格等自由度以及自由度间的耦合情况将会相应改变，最终导致界面出现新奇的物理现象，如量子霍尔效应，磁电耦合，界面超导，交换偏置等。其中，交换偏置效应在自旋电子器件，自旋阀，及磁隧道结等技术领域具有良好的应用前景，人们对其展开了系统而深入的研究。

目前，研究者已经发现交换偏置现象广泛存在于铁磁/反铁磁，亚铁磁/反铁磁等体系中。当系统加磁场通过反铁磁材料的奈尔温度冷却至低温，样品的磁滞回线沿冷却场相反方向偏离原点，并同时伴随着矫顽场的增加，此现象即为交换偏置效应。其物理机制如下：当体系温度处于反铁磁材料的奈尔温度T_N和铁磁材料的居里温度T_C(T_N＜T＜T_C)之间时，体系中铁磁体磁矩转到平行于外加磁场的方向，处于磁有序态；而反铁磁体处于顺磁态，内部的磁矩无序分布。在磁场作用下冷却到T_N以下时，反铁磁体也进入磁有序状态。由于在铁磁/反铁磁界面处存在交换作用，界面处的反铁磁体原子磁矩将沿着铁磁体的磁矩方向平行或反平行地排列，这就是界面处的自旋钉扎层。当外加磁场反转时，铁磁体的磁矩随着外场反转，而反铁磁体，一般认为其各向异磁常数很大，界面处自旋磁矩不随外场变化。由于界面耦合作用，反铁磁体试图让铁磁体的磁矩仍然保持在冷却场的方向。因此当测量磁场与冷却场方向相反时，铁磁体的磁矩较难翻转，矫顽力较大。当测量磁场与冷却场方向一致时，铁磁体的磁矩很容易转向与之平行的方向，矫顽力较小；所以在宏观上表现为磁滞回线沿冷却场的相反方向偏移，呈现出单向各向异性。

研究交换偏置效应的一类典型材料就是铁氧化物。铁的不同氧化物中铁离子在氧离子密堆积结构中的浓度，分布，以及氧化态是不一样的。其中，磁铁矿四氧化三铁Fe₃O₄是亚铁磁体，同时具有Fe²⁺和Fe³⁺，Fe³⁺占据了八分之一的四面体间隙，Fe²⁺和Fe³⁺以1:1的比例占据了一半的四面体间隙；而在还原气氛下形成的方铁矿氧化亚铁FeO是反铁磁体，Fe²⁺占据了八面体间隙。反铁磁性FeO与亚铁磁性Fe₃O₄之间的交换耦合作用会表现出交换偏置效应。2011年，Benoit P.Pichon等人在Chemistry of Materials上发表题名“Microstructural and Magnetic Investigations of Wüstite-Spinel Core-Shell Cubic-Shaped Nanoparticles”的文章，报道了立方FeO/Fe₃O₄(反铁磁/亚铁磁)核壳复合颗粒的交换偏置效应。Xiaolian Sun等人在Nano Letters(12卷，246-251页，2012年)报道了球状FeO/Fe₃O₄核壳复合颗粒，并在纳米尺度研究了交换偏置效应的物理本质。

虽然关于FeO/Fe₃O₄的纳米核壳复合颗粒的交换偏置效应已有研究，但目前还没有关于二维铁氧化物薄膜体系交换偏置效应的报道。相比纳米复合结构，二维薄膜材料成本低廉，制备简单，并且与磁存储器，自旋阀，隧道结，传感器等具有更好的兼容性。因此，开发制备具有交换偏置效应的铁氧化物薄膜的新技术具有重要的科学意义和广阔的市场前景。

发明内容

本发明旨在填补没有关于二维铁氧化物薄膜体系交换偏置效应的空白，本发明提供了一种具有交换偏置效应的铁氧化物薄膜及其制备方法。

本发明提供了一种具有交换偏置效应的铁氧化物薄膜，所述铁氧化物薄膜包含反铁磁性氧化亚铁薄层、以及在所述反铁磁性氧化亚铁薄层上外延生长的亚铁磁性四氧化三铁薄层。

较佳地，所述铁氧化物薄膜的厚度为15—60nm。

较佳地，所述反铁磁性氧化亚铁薄层的厚度为3—10nm，所述亚铁磁性四氧化三铁薄层的厚度为5—55nm。

较佳地，所述铁氧化物薄膜沉积在钛酸锶层表面或钛酸锶单晶表面上，所述反铁磁性氧化亚铁薄层在钛酸锶层表面或钛酸锶单晶表面外延生长。