[发明专利]一种铁磁薄膜外延单层石墨烯及其制备方法

说明书

本发明公开了铁磁薄膜外延单层石墨烯的制备方法，通过高温退火使得铁磁薄膜单晶化，结合碳成核、扩散和析出过程调控，诱导石墨烯在单晶铁磁表面的自我终止生长，实现单层石墨烯的外延制备。本发明可解决高溶碳金属材料上生长单层石墨烯的困难，同时保证了制备的铁磁金属/石墨烯界面晶格外延特性，界面结构稳定，可大幅提高相关石墨烯电子器件的性能。

技术领域

本发明涉及自旋电子学、薄膜材料制备技术等领域，具体涉及一种在单晶铁磁薄膜材料上利用化学气相沉积（CVD）法制备与衬底晶向一致的铁磁薄膜外延单层石墨烯及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子组成的蜂窝状二维晶体，具有特别优异的电学、光学、热学、力学等性能，在微电子、光电子、新能源、传感、航天等领域具有广泛的应用前景。石墨烯功能器件往往涉及到石墨烯与不同金属材料的结合，在不同的金属衬底上生长石墨烯成为了其器件集成工艺的核心技术。特别的是石墨烯与铁磁材料相结合，可构成的Ni/石墨烯/Ni、Co/石墨烯/Co等隧道结器件，展现出优异磁电阻性能，如何实现在高溶碳铁磁金属薄膜上生长高质量石墨烯是器件制备的关键技术之一。目前，采用化学气相沉积（CVD）技术在低溶碳铜或铜合金等金属基底上可以生长高质量单层石墨烯。然而，对于高溶碳铁磁金属材料，在降温阶段会有大量碳从金属中析出，石墨烯层厚及均匀性往往难以把控，现有方法并不适用于高溶碳铁磁金属。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种铁磁薄膜外延单层石墨烯及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种铁磁薄膜外延单层石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

S1、在绝缘基底上生长具有正六角晶格属性的铁磁薄膜，所述绝缘基底和铁磁薄膜晶格属性相匹配；

S2、将铁磁薄膜置于化学气相沉积系统中，通入氢气和惰性气体，升温至900～950℃，对铁磁薄膜进行退火处理，得到单晶薄膜；

S3、通入碳源气体，所述碳源气体、氢气和惰性气体的流量比为1∶10～50∶50，保温，使碳在单晶薄膜上外延成核；

S4、停止通入碳源气体和氢气，保温，使碳在单晶薄膜上扩散；

S5、以150～200℃/min的降温速率降温冷却，使石墨烯在单晶薄膜上析出，得到铁磁薄膜外延单层石墨烯。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述步骤S2中，所述退火处理的时间为1～2h；所述升温的速率为20～30℃/min。

所述步骤S3中，所述保温的时间为35～45min。

所述步骤S4中，所述保温时间为30～60min。

所述步骤S3中，所述碳源气体为甲烷。

所述步骤S1中，所述绝缘基底为Al₂O₃(0001)或YSZ(111)。

所述步骤S1中，所述铁磁薄膜为镍金属薄膜或钴金属薄膜。

所述步骤S1中，采用电子束蒸发法或磁控溅射法在绝缘基底上生长铁磁薄膜。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种铁磁薄膜外延单层石墨烯，根据前述的制备方法制备得到，所述铁磁薄膜上表面生长有单层石墨烯层。

与现有技术相比，本发明的优点在于：