[发明专利]一种YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜及其制备方法，所述YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜的制备方法为：提供GGG基底，并将该GGG基底置于真空系统中；利用脉冲激光沉积生长一YIG薄膜于该GGG基底表面；再利用分子束外延技术生长一SnTe薄膜于作为基底的YIG薄膜表面。利用本发明方法可制备出高质量的单晶外延铁磁/拓扑绝缘体异质结，可在300K时观察到反常霍尔效应。

技术领域

本发明属于凝聚态物理领域，更特别地，涉及一种通过构造异质结的方法使铁磁绝缘体材料与拓扑晶体绝缘体材料产生界面效应，从而在300K 时观察到反常霍尔效应的方法。

背景技术

霍尔效应是一种常见的电磁效应，当导体被置于外磁场中，并且导体中的电流垂直于外磁场时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现明显的电势差，这个现象就是霍尔效应。这主要是因为产生电流的电子受到洛伦兹力，使其向导体两侧移动，从而产生电荷积累，出现了霍尔效应。霍尔效应是凝聚态物理中的一个基本现象，它广泛用于确定样品的载流子类型、载流子密度以及测量磁场强度等领域。1881年，霍尔在铁磁性二维金属中发现了比非磁性材料大几十倍的霍尔效应，并且这种行为在零磁场或一个很微小的磁场下就可以观测到，这个零磁场下的霍尔效应便是反常霍尔效应。反常霍尔效应普遍存在于铁磁材料中，是一种不需要外加磁场就存在的霍尔效应，起源于自旋-轨道耦合作用。反常霍尔效应是由于材料本身的自发磁化产生的，是自旋电子学中一个非常重要的物理现象。具有反常霍尔效应的材料有助于研发低功耗、速度快、体积小和信息不丢失的自旋电子新型器件。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种具有室温反常霍尔效应的磁性薄膜及其制备方法，YIG具有面内铁磁性，并且其居里温度可以达到550K。在一定的薄膜厚度情况下，通过构造铁磁绝缘体YIG与拓扑晶体绝缘体SnTe异质结可以引起其界面效应，从而实现具有室温反常霍尔效应的材料，即本发明提供的YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜。本发明还提供了所述薄膜的制备方法，利用该方法可获得一种高质量，具有室温反常霍尔效应的薄膜材料，其能够在300K时表现出反常霍尔效应。

本发明技术方案如下：

一种YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜，其特征在于：在GGG(111)基底表面生长YIG单晶外延薄膜，在该薄膜表面生长SnTe单晶外延薄膜。

作为优选的技术方案，所述基底厚度为0.2-1.0mm，所述YIG单晶外延薄膜厚度为33-400nm，所述SnTe单晶外延薄膜厚度为10nm-20nm。

一种YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将GGG(111)基底置于真空系统中；

b)利用脉冲激光沉积技术，生长YIG单晶外延薄膜于GGG(111)基底的表面；

c)将已生长的YIG单晶外延薄膜置于超高真空系统中，利用分子束外延生长技术，生长SnTe单晶外延薄膜于该YIG薄膜的表面，最终制备得到 YIG/SnTe异质结单晶外延薄膜。

作为优选的技术方案：

步骤a)中，将所述基底置于真空系统中前，使用丙酮对基底超声 300s-500s，再用乙醇超声200s-400s。

步骤b)中，在生长YIG单晶薄膜时，所述基底温度保持在650℃-800℃。

在生长YIG单晶薄膜时，提供一YIG靶材，腔内温度保持在650℃ -800℃，通入氧气，并维持氧气气压为0.5Pa-5.0Pa；在激光重复频率为 3Hz-5Hz，激光能量为350mJ-450mJ的条件下使用脉冲激光打击YIG靶，得YIG薄膜；激光打击完毕后在650℃-750℃进行1h-3h退火处理，取出 YIG薄膜样品。