[发明专利]一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁(111)、其制备和应用

说明书

本发明属于自旋电子学领域，更具体地，涉及一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁、其制备和应用。将表面清洁的铁样品置于含有烃类气体的真空环境中，通过解离吸附的方法，该铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在Fe(111)表面上生长出单层石墨烯。由于石墨烯的存在，单晶Fe(111)可以保持其原有的性能，防止与空气中的氧气发生反应。由于Fe结构的独特性质，大量随机取向的畴壁被观察到，这样高质量的自旋器件可以简单地通过在铁表面上生长单层石墨烯来制造，在以后的研究中这种器件有望应用于存储领域或者逻辑计算领域。

技术领域

本发明属于自旋电子学领域，更具体地，涉及一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁(111)、其制备和应用。

背景技术

铁在有氧条件下会经历腐蚀过程。被氧化的铁可能会失去延展性、耐久性和其他重要的物理性质。对于自旋电子应用领域的研究，铁是一种很重要的材料，具有较好的自旋磁特性，但是很容易被氧化，极难保持纯净的晶体下的物理特性。一般通过合金或盖层形式可以用于保护铁，但仍达不到理想的效果。为了防止腐蚀，研究人员研究了合金生产、阴极保护和涂层等方法。传统的涂层剂包括重金属，如Cd和挥发性有机溶剂，如甲醛，这可能会导致环境和健康问题，类似于那些与镀锌方法有关的问题，性能并不理想，需要寻找新的方法来防止铁晶体表面发生氧化。

洪正敏等人在仅100微米的很薄的Fe(1 0 0)金属箔片上生长大面积的多层石墨烯。该方法对铁箔有厚度要求，限制它的应用范围，且制备难度增大；另外，该方法生长流程比较复杂，需要考虑的因素很多；而且该方法制得的生长多层石墨烯的Fe(100)畴壁不明显，磁矩较小，不具有很好的防止铁晶体表面氧化的功能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁(111)、其制备和应用，其通过解离吸附的方法，使铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在Fe(111)表面生长出单层石墨烯，由此解决现有技术的铁单晶畴壁不明显，磁矩较小，且易氧化等的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种在单晶铁(111)表面上合成单层石墨烯的方法，包括如下步骤：

将表面清洁的单晶铁(111)铁样品置于含有烃类气体的真空环境中，该真空环境内的压力不高于10^-5帕；通过解离吸附的方法，该铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在单晶铁(111)的表面长出单层石墨烯。

优选地，所述烃类气体为C₂H₂或者CH₄气体。

优选地，所述表面清洁的单晶铁(111)铁样品，通过如下方法获得：

对单晶铁(111)铁样品表面进行多次溅射轰击以及真空退火，以清除其表面的污染物，直至在铁样品表面检测不到S、NO₂或O₂的峰值，得到表面清洁的单晶铁(111)铁样品。

优选地，获得所述表面清洁的单晶铁(111)铁样品，具体包括如下步骤：

(1-1)将单晶铁(111)铁样品放置于超高真空溅射腔室内，在不低于500eV且不高于1500eV的能量下进行Ar⁺溅射轰击铁样品表面；所述超高真空溅射腔室内的压力不高于10^-5帕；

(1-2)将铁样品在不低于500K且不高于1000K的温度条件下进行高温真空退火2-5分钟；

(1-3)重复步骤(1-1)和步骤(1-2)，以清除其表面的污染物，直至在铁样品表面检测不到S、NO₂或O₂的峰值，得到表面清洁的单晶铁(111)铁样品。

优选地，步骤(1-1)所述Ar⁺溅射轰击时间不短于30分钟。