一种具有巨大拓扑霍尔效应的碲化铬薄膜的外延生长方法

技术领域

本发明公开了一种具有巨大拓扑霍尔效应的碲化铬薄膜的外延生长方法，属于电子材料技术领域。特别涉及碲化铬单晶薄膜材料、激光分子束外延(L-MBE)的薄膜生长方法及其手性自旋电子学方面性质的应用。

背景技术

由实空间贝利曲率产生的手性自旋纹理(chiral spin textures)因在高密度数据存储和低功耗自旋电子器件领域的应用前景而吸引了研究人员的极大兴趣。手性自旋纹理通常以斯格明子(skyrmions)、非共线磁结构、磁泡、麦韧(merons)等形式存在，其所引发的奇异物理现象已成为自旋电子材料前沿研究的热点之一。其中，拓扑霍尔效应被认为是一种利用纯电学的方式探测手性自旋纹理的有效手段。通常，当载流子经过手性自旋纹理时会在霍尔测试中获得额外的贝利相位，从而引入额外的霍尔电压，这就是拓扑霍尔效应。该奇异效应一般表现为霍尔电阻曲线中成对的位于正负矫顽场附近的凸起(hump)，与由动量空间的贝利曲率诱导的反常霍尔效应存在显著区别。

自2011年起，手性自旋纹理诱导的拓扑霍尔效应在多个磁性体系中被证实，包括B20系合金、氧化物薄膜、磁性异质结构以及阻挫磁铁材料等。近年来，低维铁磁材料的发现为探索和理解拓扑霍尔效应提供了更多的材料选择，人们也在多种低维铁磁材料体系中观测到了奇异的拓扑霍尔效应，包括低维铁磁异质结构(如：CrTe/SrTiO

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明针对现有技术无法制备具有较高拓扑霍尔效应的低维室温铁磁单晶薄膜的问题，提出一种具有巨大拓扑霍尔效应的碲化铬薄膜的外延生长方法。

技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种具有巨大拓扑霍尔效应的碲化铬薄膜的外延生长方法，包括以下步骤：

步骤1，将经预处理过的蓝宝石基片(001取向)置于沉积装置样品架上，将Cr与Te元素比为1比3的铬碲元素化合物靶材放置在沉积装置靶材台上，关闭沉积装置腔室，使用泵组将腔室内压抽至(7±1)×10

步骤2，打开沉积装置RHEED高能电子衍射仪产生照射于基片的电子束，并在荧光屏及摄像头上形成衍射条纹；

步骤3，保持腔室内环境不变，采用波长248nm的KrF准分子激光器由激光入射装置将激光通过透镜聚焦到铬碲元素化合物靶材上，沉积全程通过RHEED高能电子衍射仪保持实时原位监控，沉积全程靶材台保持匀速转动，使激光均匀地打在靶材上面；

步骤4，通过沉积装置荧光屏及摄像头观察到沉积薄膜的RHEED衍射斑点为清晰三维点阵图形后，将腔室内温度降至室温，降温速度低于步骤1中升温速度；

步骤5，从腔室内取出基片，对所得碲化铬单晶薄膜进行表征测试。

进一步地，步骤1中对蓝宝石基片进行预处理的方法为：将基片先后通过丙酮、酒精、去离子水溶液各超声清洗5min。

进一步地，步骤1中对基片加热的速率为20℃/min。

进一步地，步骤1中腔室内压的下降过程为：先将气压抽至9Pa，再续抽至7×10

进一步地，步骤3中靶材与激光束的夹角为45°，激光束的平均能量密度为1.0±0.2J/cm

进一步地，步骤4中降温速率为15℃/min。

进一步地，步骤5中表征测试包括采用拉曼散射仪对薄膜拉曼散射光谱进行测量，采用原子力显微镜对薄膜进行扫描，采用超导量子干涉磁学测量系统测量薄膜面内磁化强度-温度依赖曲线，测量薄膜的拓扑霍尔效应成分，测量薄膜的拓扑霍尔效应幅度值温度依赖性曲线。

有益效果

本发明为本技术领域内首次通过面向应用的真空薄膜制备方法获得居里温度高于室温的碲化铬铁磁薄膜，其拓扑霍尔电阻率最大幅度值在现有观测到拓扑霍尔效应的所有碲化铬材料体系中最高；

本发明方法所制碲化铬薄膜厚度精确可控，具有良好的室温铁磁性、金属性及空气稳定性，且在外加磁场下可观测到巨大的拓扑霍尔效应；

本发明方法材料制备参数易调整，生长过程可控，工艺重复性好，具有较高的制备效率，可拓展到制备其它高质量的碲化物薄膜。

附图说明

图1为实施本发明碲化铬薄膜外延生长方法的沉积装置结构示意图；

图2为本发明碲化铬薄膜外延生长方法的步骤图；

图3为本发明方法所制得碲化铬单晶薄膜的RHEED光斑；

图4为本发明方法所制得碲化铬单晶薄膜的拉曼散射光谱；

图5为本发明方法所制得碲化铬单晶薄膜的原子力显微镜扫描结果；

图6为本发明方法所制得碲化铬单晶薄膜的面内磁化强度的温度依赖曲线；

图7为本发明方法所制得碲化铬单晶薄膜中的拓扑霍尔效应成分(阴影部分)；

图8为本发明方法所制得碲化铬单晶薄膜中的拓扑霍尔效应幅度值的温度依赖性曲线；

附图标记说明：1-靶材台，2-样品架，3-加热丝，4-观察窗，5-激光入射装置，6-抽气口，7-RHEED高能电子衍射仪，8-荧光屏及摄像头。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。

如图1所示，系统工作时，沉积靶材放置于沉积装置靶材台1上，基片固定于样品架2上并通过加热丝3加热，RHEED高能电子衍射仪7用于产生照射于基片的电子束，并在荧光屏及摄像头8上形成衍射条纹以实现沉积过程的原位监控，激光入射装置5产生激光并照射到位于靶材台1上的靶材上，抽气口6实现真空腔室内气压控制，观察窗4用于对沉积过程进行观察。

如图2所示，本发明碲化铬薄膜外延生长方法主要包含以下步骤：

步骤1，将先后通过丙酮、酒精、去离子水溶液各超声清洗5min的蓝宝石Al

步骤2，基片加热至550±5℃后，打开RHEED高能电子衍射仪7产生照射于基片的电子束，并在荧光屏及摄像头8上形成衍射条纹以实现沉积过程的原位监控。

步骤3，保持腔室内环境不变，采用波长248nm的KrF准分子激光器由激光入射装置5将激光通过透镜聚焦到铬碲元素化合物(Cr与Te元素比为1比3)靶材上，靶材与激光束的夹角约为45°，激光束的平均能量密度为1.0±0.2J/cm

步骤4，完成薄膜生长后，通过荧光屏及摄像头8观察薄膜的RHEED衍射斑点(如图3所示)，斑点为清晰的三维点阵图形，这保证了薄膜的单晶性，随后将腔内温度以15℃/min速率降温至室温，降温速率略低于升温速率的原因是避免降温过程中温度变化过快而造成薄膜开裂。

步骤5，从腔室内取出基片，对所得碲化铬(Cr

图4为采用拉曼散射仪测得的薄膜拉曼散射光谱，其中P

图5为采用原子力显微镜测得的薄膜扫描结果，扫描结果证明样品表面平整，平均粗糙度小于0.55nm。

图6为采用超导量子干涉磁学测量系统测得的薄膜面内磁化强度-温度依赖曲线(分别20nm、50nm、80nm厚度)，表明样品的居里温度超过室温(约为320K)，为现有技术中首次通过面向应用的制备方法(即激光分子束外延)获得的居里温度高于室温的碲化铬(Cr

图7为薄膜中的拓扑霍尔效应成分，其中提供的磁场依赖的霍尔电阻率曲线中矫顽场附近可以观察到明显的凸起(hump)，由阴影部分标出，即为碲化铬(Cr

图8为薄膜中的拓扑霍尔效应幅度值的温度依赖性曲线，表明该拓扑霍尔效应从5K一直保持至300K，并在90K时达到最大值1.6μΩ·cm，其拓扑霍尔磁电阻率最大幅度值在现有技术能观测到拓扑霍尔效应的所有Cr

表1现有Cr

本发明方法所制碲化铬薄膜材料分子式为Cr

本发明方法为本技术领域内首次通过面向应用的真空薄膜制备方法获得居里温度高于室温(约320K)的碲化铬(Cr

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。