[发明专利]一种面外各向异性石榴石单晶薄膜及其制备方法

说明书

一种面外各向异性石榴石单晶薄膜及其制备方法，属于电子材料技术领域。所述单晶薄膜的成分为Y_3‑(a+b+c)Bi_aLu_bCa_cFe_5‑dGe_dO₁₂，其中0＜a＜0.5，0＜b＜1.0，0＜c＜1.0，0＜d＜1.0，且c＝d。本发明以Y₂O₃、Lu₂O₃、Fe₂O₃、GeO₂、CaO、PbO、Bi₂O₃、MoO₃作为原料，采用分层放置原料的方法，在钆镓石榴石基片上得到了厚度最小可达到170nm的面外各向异性石榴石单晶薄膜；且得到的薄膜的生长速率与生长温度呈现非线性关系，呈现面外各向异性，可应用于自旋逻辑器件中。

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，具体涉及一种多种元素掺杂的面外各向异性石榴石薄膜及其液相外延制备方法。

背景技术

随着电子器件尺寸的不断减小，量子效应的影响愈发明显，研究工作者们将电子的另一个属性——自旋引入到电子器件中，利用自旋来实现对电子输运的精确调控，或者直接以电子自旋作为信息存储和传输的载体，不仅可以使器件尺寸进一步减小，还能进一步降低功耗。钇铁石榴石(YIG)作为一种磁绝缘体，其低阻尼、铁磁共振线宽小、自旋传输距离长等优点使得其在自旋逻辑器件中得到广泛的应用。

目前发现的各种自旋效应，如自旋霍尔效应、逆自旋霍尔效应、自旋霍尔磁阻、反常自旋霍尔效应等都与磁性层的磁化方向有关，因此石榴石薄膜的各向异性会影响薄膜在自旋方向上的应用，并且要实现石榴石薄膜的磁性翻转，面外各向异性的石榴石薄膜所需要的驱动电流更小。这也就意味着基于面外各向异性石榴石薄膜得到的自旋逻辑器件，其功耗可进一步降低，这一发现对器件小型化、低功耗的发展有着重要意义。有文献证实只有在薄的石榴石薄膜中，主导薄膜磁性开关特性的才是与自旋相关的自旋轨道转矩；但随着薄膜厚度的减小，薄膜的易磁化轴逐渐趋向于面内，因此很难制备面外各向异性的石榴石薄膜。

目前，应用于自旋器件中的面外各向异性石榴石薄膜，大多采用磁控溅射或者激光脉冲沉积等方法调节薄膜所受到的应力，进而改变薄膜的各向异性。液相外延工艺制备的石榴石薄膜为高质量的单晶薄膜，缺陷少且易于实现大批量生产。但是，外延应变在其能够产生足够大的各向异性之前就已弛豫，得到的薄膜多为面内各向异性；并且液相外延工艺为浸入式生长，得到的石榴石薄膜的厚度多为微米级。如何通过液相外延法得到厚度薄且具有面外各向异性的石榴石薄膜是目前的难点之一。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种面外各向异性石榴石单晶薄膜及其制备方法。本发明单晶石榴石薄膜的生长速率与生长温度呈现非线性关系，薄膜的厚度最小可达到170nm，并且呈现面外各向异性，可应用于自旋逻辑器件中。

本发明的技术方案如下：

一种面外各向异性石榴石单晶薄膜，其特征在于，所述单晶薄膜的成分为Y_3-(a+b+c)Bi_aLu_bCa_cFe_5-dGe_dO₁₂，其中0＜a＜0.5，0＜b＜1.0，0＜c＜1.0，0＜d＜1.0，且c＝d。

一种面外各向异性石榴石单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：