Fe/C颗粒薄膜反常霍尔效应材料及制备方法

fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料及制备方法
技术领域
1.本发明属于磁性传感领域，涉及fe/c颗粒薄膜霍尔效应材料及其制备方法。


背景技术：

2.霍尔效应是在电流垂直于外磁场通过材料时，垂直于电流和磁场的方向产生横向电势差的现象。利用霍尔效应可以制成磁传感器，并已被广泛应用于电磁探测、机械传感、生物医疗和磁成像等，例如用于磁场强度检测的磁强计、汽车点火系统中的点火脉冲发生器以及具有抑制电磁干扰作用的功率霍尔电路等。传统霍尔效应一般在非磁性半导体材料(如硅、锗、砷化镓等)中比较显著，而反常霍尔效应是只存在于磁性材料中，起源于自旋轨道耦合的一种霍尔效应。与传统霍尔器件相比，基于磁性材料的反常霍尔器件除了具有较高的霍尔系数和霍尔灵敏度外，还具有器件尺寸更小、功耗更低、稳定性更好等独特优势。
3.在众多具铁磁性材料中，纳米铁磁金属颗粒膜具有明显的反常霍尔性能优势。纳米磁性金属颗粒薄膜是由纳米尺度的磁性金属颗粒随机地分布于绝缘体(或半导体)母体中构成的人工结构纳米功能材料，由于铁磁金属与母体之间存在大量的界面散射效应，可以使材料具有很高的霍尔电阻率和霍尔灵敏度，是非常好的反常霍尔材料。
4.目前，纳米磁性金属颗粒薄膜大多以金属、电介质或半导体作为母体，包括二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锌、锗等，反常霍尔电阻率还有很大的提升空间。例如室温下fe
60
(zno)
40
颗粒膜的反常霍尔电阻率约为19μω
·
cm，fe
60
sn
40
颗粒膜约为10μω
·
cm，fe
50
al
50
颗粒膜约为10μω
·
cm等。而在5k下，co
34
(mgo)
66
的反常霍尔电阻率为80μω
·
cm，但是无法满足室温使用需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料及其制备方法，解决目前常规fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料室温反常霍尔电阻率低、原料成本高的问题。
6.本发明通过以下方式实现：
7.fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料，fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料呈颗粒薄膜结构，包括：
8.母体，所述母体为非晶碳的c颗粒；
9.母体内掺杂有随机分布的纳米的fe颗粒；
10.fe颗粒与c颗粒的体积比为4:6～9:1。
11.在一些公开中，所述fe替换为co、ni、坡莫合金。
12.在一些公开中，所述fe颗粒的粒径在1.5～50nm；优选为2～10nm。
13.在一些公开中，所述fe颗粒与c颗粒的体积比为5:5～7:3。
14.在一些公开中，c为非晶碳。
15.在一些公开中，fe和c材料纯度均大于或等于99％；如果达不到这个要求，如若含有其他杂质，例如fe不纯，可能会导致铁磁性下降，影响性能，c不纯可能会导致电阻率变
化，成品质量无法保证。
16.在一些公开中，所述fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料的厚度为1.5～200nm；
17.在一些公开中，所述fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料的厚度在为5～20nm。
18.在一些公开中，其制备方法包括如下步骤：
19.将fe颗粒的靶材和c颗粒的靶材分别放入磁控溅射设备的靶座(1)和靶座(ii)；
20.抽真空，当真空室压强低于2
×
10-4
pa后打开靶座(1)和靶座(ii)的电源开始通入电流，时通电流是为了给靶预热，因为后面要加大电流使材料溅射出来；
21.使fe颗粒和c颗粒共同溅射到基片上，溅射过程中基片保持旋转；针对基片：选择没有特别要求，平整、绝缘即可，例如sio2、玻璃、耐高温塑料、mgo等都可以，主要是给薄膜提供支撑；此时的旋转方式为平面旋转，目的在于，在基片上单面共沉积fe和c；
22.使得fe和c溅射速率比达到3:7～7:3，打开基片挡板，沉积时间为2分钟～30分钟；
23.沉积完成后，待溅射源降至室温后打开真空室，取出样品，得到最终的fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料。
24.同时值得注意的是：
25.1、本技术本发明是铁和碳两相混合，利用混合后产生的大量界面增强传导电子散射；
26.2、本发明是fe和c两相混合，要求fe含量一般不低于逾渗阈值，即fe含量在45％-100％之间，否则fe含量太低会导致铁磁性消失及电阻率太高，器件无法工作；
27.3、本发明的基底没有特殊要求，只要是平整、绝缘即可。本发明是两相材料相互混合，是三维立体接触，而若fe或c作为基底，二者只在fe层与c层的界面处接触，实际上只是二维的平面接触，而且这种策略主要是用c给铁掺杂改性，而本发明是利用c与fe形成的混合结构，使电子在fe中传导时散射增强，提高反常霍尔效应。
28.与现有的霍尔效应材料和制备方法相比，本发明的有益效果在于：
29.1、本发明采用铁磁材料的反常霍尔效应，区别于传统的正常霍尔效应，具有反常霍尔系数高、温度稳定性好和制备工艺简单等优点；
30.2、本发明采用fe和c作为原材料，成本低廉，利于推广；
31.3、本发明采用的磁控溅射工艺，成膜性好，平整度高，成分、厚度连续可调，可获得不同反常霍尔性能的fe/c颗粒膜材料，优化样品的室温反常霍尔电阻率可达到31μω
·
cm。
附图说明
32.图1为fe
50c50
样品的透射电子显微镜图；
33.图2为fe
50c50
样品的选区电子衍射图；
34.图3为fe
50c50
样品的反常霍尔电阻率曲线；
35.图4为fe60c40样品的透射电子显微镜图；
36.图5为fe60c40样品的选区电子衍射图；
37.图6为fe60c40样品的反常霍尔电阻率曲线；
38.图7为fe
70c30
样品的透射电子显微镜图；
39.图8为fe
70c30
样品的选区电子衍射图；
40.图9为fe
70c30
样品的反常霍尔电阻率曲线；
41.图10为fe
85c15
样品的透射电子显微镜图；
42.图11为fe
85c15
样品的选区电子衍射图；
43.图12为fe
85c15
样品的反常霍尔电阻率曲线；
44.图13为厚度为20nmfe
50c50
样品的截面扫描电子显微镜图；
45.图14为厚度为20nmfe
50c50
样品的反常霍尔电阻曲线；
46.图15为厚度为15nmfe
50c50
样品的反常霍尔电阻曲线。
47.图16为厚度为10nmfe
50c50
样品的反常霍尔电阻曲线。
具体实施方式
48.下面将通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
49.本发明涉及的一种fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料及其制备方法，制备方法为磁控共溅射，采用廉价的非晶碳(c)作为母体材料，通过调节fe和c的体积比，形成一种铁磁金属颗粒分散在非晶碳母体中的颗粒薄膜结构，与现有的颗粒薄膜霍尔器件材料相比，原料成本低廉，制备工艺简单，室温反常霍尔电阻率更高，温度稳定性好。该新型的fe/c颗粒薄膜霍尔器件室温反常霍尔电阻率最大值可达到31μω
·
cm。
50.本发明一种fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料及制备方法，该材料为纳米金属fe颗粒随机分布于c母体中构成的复合薄膜材料，其中fe与c的体积比在4:6～9:1范围内，优选在5:5～7:3范围内；fe颗粒的粒径在1.5～50nm范围内，优选在2～10nm范围内，薄膜的厚度在1.5～200nm范围内，优选在5～20nm范围内。
51.本发明一种fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料及制备方法，磁性金属fe也可以替换为其它磁性金属材料，如co、ni、坡莫合金等。
52.本发明一种fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料及制备方法，颗粒薄膜的母体材料为非晶碳c。
53.本发明fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料及制备方法，制备过程采用磁控共溅射方法。所述的制备方法具体步骤如下：
54.1.采用磁控共溅射法制备fe/c颗粒薄膜。将金属fe靶和c靶材分别放入磁控溅射设备的靶座(1)和靶座(ii)；
55.2.将清洗后的基片安装在磁控溅射设备的基片转台上，抽真空，当真空室压强低于2
×
10-4
pa后打开靶座(1)和靶座(ii)的电源开始通入电流。
56.3.调节靶(i)和靶(ii)的输入功率来控制溅射速率，使fe和c共同溅射到基片上，
57.溅射过程中基片保持旋转。
58.本发明fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料及制备方法，该方法制备fe/c薄膜的过程中，步骤1所述的fe和c材料纯度均大于或等于99％。
59.本发明fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料及制备方法，该方法制备fe/c薄膜的过程中，步骤2所述的输入电流为直流电源或射频电源提供，fe优选直流电源，c优选射频电源。
60.本发明一种fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料及制备方法，该方法制备的fe/c薄膜，fe和c的体积比为45％:55％～95％:5％之间，优选在50％:50％～85％:15％范围内。
61.本发明一种fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料及制备方法，其特征在于该方法制备的fe/c薄膜，薄膜厚度为10～50nm之间，优选在10～20nm之间。
62.本发明提供了一种新型的fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料及制备方法，器件的制备过程中采用磁控共溅射沉积的制备方法。通过调控fe和c的溅射速率来改变fe/c颗粒薄膜中fe和c的体积比，通过改变沉积时间来调控fe/c颗粒薄膜的厚度。通过该方法，可以获得具有不同反常霍尔性能的fe/c颗粒薄膜。
63.实施例1
64.将高纯fe靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(i)；将高纯c靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(ii)。将清洗好的的si片衬底安装在磁控溅射仪设备的基片转台上。抽真空至腔室压强低于2
×
10-4
pa后打开溅射源(i)的直流电源和(ii)的射频电源。衬底温度保持常温并以30rpm的速率自转，并盖上挡板。调节溅射源(i)和(ii)的溅射功率，使得fe和c溅射速率比达到50:50，打开基片挡板，沉积10min。沉积完成后，关闭分子泵和机械泵，待溅射源降至室温后打开真空室，取出样品，得到最终的fe/c颗粒薄膜。
65.如图1至图3所示，采用透射电子显微镜和选区电子衍射测试所制备薄膜的微结构和成分，结果表明，所得的薄膜为颗粒膜结构，多晶的fe颗粒分散于c母体中。fe与c的体积比约为50:50，厚度约为20nm。采用quantum design公司的物理性质测试系统(ppms-9)测量了所得颗粒薄膜的室温霍尔电阻率曲线。将霍尔电阻率曲线从高磁场外推至0磁场得到饱和反常霍尔电阻率，该fe/c颗粒薄膜磁电阻器件的室温反常霍尔电阻率约为31μω
·
cm。
66.实施例2
67.将高纯fe靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(i)；将高纯c靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(ii)。将清洗好的的si片衬底安装在磁控溅射仪设备的基片转台上。抽真空至腔室压强低于2
×
10-4
pa后打开溅射源(i)的直流电源和(ii)的射频电源。衬底温度保持常温并以30rpm的速率自转，并盖上挡板。调节溅射源(i)和(ii)的溅射功率，使得fe和c溅射速率比达到60:40，打开基片挡板，沉积10min。沉积完成后，关闭分子泵和机械泵，待溅射源降至室温后打开真空室，取出样品，得到最终的fe/c颗粒薄膜。
68.如图4至图6所示，采用透射电子显微镜和选区电子衍射测试所制备薄膜的微结构和成分，结果表明，所得的薄膜为颗粒膜结构，多晶的fe颗粒分散于c母体中。fe与c的体积比约为60:40，厚度约为20nm。采用quantum design公司的物理性质测试系统(ppms-9)测量了所得颗粒薄膜的室温霍尔电阻率曲线。将霍尔电阻率曲线从高磁场外推至0磁场得到饱和反常霍尔电阻率，该fe/c颗粒薄膜磁电阻器件的室温反常霍尔电阻率约为27μω
·
cm。
69.实施例3
70.将高纯fe靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(i)；将高纯c靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(ii)。将清洗好的的si片衬底安装在磁控溅射仪设备的基片转台上。抽真空至腔室压强低于2
×
10-4
pa后打开溅射源(i)的直流电源和(ii)的射频电源。衬底温度保持常温并以30rpm的速率自转，并盖上挡板。调节溅射源(i)和(ii)的溅射功率，使得fe和c溅射速率比达到70:30，打开基片挡板，沉积10min。沉积完成后，关闭分子泵和机械泵，待溅射源降至室温后打开真空室，取出样品，得到最终的fe/c颗粒薄膜。
71.如图7至图9所示，采用透射电子显微镜和选区电子衍射测试所制备薄膜的微结构
和成分，结果表明，所得的薄膜为颗粒膜结构，多晶的fe颗粒分散于c母体中。fe与c的体积比约为70:30，厚度约为20nm。采用quantum design公司的物理性质测试系统(ppms-9)测量了所得颗粒薄膜的室温霍尔电阻率曲线。将霍尔电阻率曲线从高磁场外推至0磁场得到饱和反常霍尔电阻率，该fe/c颗粒薄膜磁电阻器件的室温反常霍尔电阻率约为18μω
·
cm。
72.实施例4
73.将高纯fe靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(i)；将高纯c靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(ii)。将清洗好的的si片衬底安装在磁控溅射仪设备的基片转台上。抽真空至腔室压强低于2
×
10-4
pa后打开溅射源(i)的直流电源和(ii)的射频电源。衬底温度保持常温并以30rpm的速率自转，并盖上挡板。调节溅射源(i)和(ii)的溅射功率，使得fe和c溅射速率比达到85:15，打开基片挡板，沉积10min。沉积完成后，关闭分子泵和机械泵，待溅射源降至室温后打开真空室，取出样品，得到最终的fe/c颗粒薄膜。
74.如图10至图12所示，采用透射电子显微镜和选区电子衍射测试所制备薄膜的微结构和成分，结果表明，所得的薄膜为颗粒膜结构，多晶的fe颗粒分散于c母体中。fe与c的体积比约为85:15，厚度约为20nm。采用quantum design公司的物理性质测试系统(ppms-9)测量了所得颗粒薄膜的室温霍尔电阻率曲线。将霍尔电阻率曲线从高磁场外推至0磁场得到饱和反常霍尔电阻率，该fe/c颗粒薄膜磁电阻器件的室温反常霍尔电阻率约为8μω
·
cm。
75.实施例5
76.将高纯fe靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(i)；将高纯c靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(ii)。将清洗好的的si片衬底安装在磁控溅射仪设备的基片转台上。抽真空至腔室压强低于2
×
10-4
pa后打开溅射源(i)的直流电源和(ii)的射频电源。衬底温度保持常温并以30rpm的速率自转，并盖上挡板。调节溅射源(i)和(ii)的溅射功率，使得fe和c溅射速率比达到50:50，打开基片挡板，沉积10min。沉积完成后，关闭分子泵和机械泵，待溅射源降至室温后打开真空室，取出样品，得到最终的fe/c颗粒薄膜。
77.如图13至图14所示，采用扫描电子显微镜测试所制备薄膜的厚度约为20nm。采用quantum design公司的物理性质测试系统(ppms-9)测量了所得颗粒薄膜的室温霍尔电阻。将霍尔电阻曲线从高磁场外推至0磁场得到饱和反常霍尔电阻，该fe/c颗粒薄膜磁电阻器件的室温反常霍尔电阻约为15ω，磁场灵敏度为21.4ω/t。
78.实施例6
79.将高纯fe靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(i)；将高纯c靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(ii)。将清洗好的的si片衬底安装在磁控溅射仪设备的基片转台上。抽真空至腔室压强低于2
×
10-4
pa后打开溅射源(i)的直流电源和(ii)的射频电源。衬底温度保持常温并以30rpm的速率自转，并盖上挡板。调节溅射源(i)和(ii)的溅射功率，使得fe和c溅射速率比达到50:50，打开基片挡板，沉积7.5min。沉积完成后，关闭分子泵和机械泵，待溅射源降至室温后打开真空室，取出样品，得到最终的fe/c颗粒薄膜。
80.如图15所示，采用扫描电子显微镜测试所制备薄膜的厚度约为15nm。采用quantum design公司的物理性质测试系统(ppms-9)测量了所得颗粒薄膜的室温霍尔电阻。将霍尔电
阻曲线从高磁场外推至0磁场得到饱和反常霍尔电阻，该fe/c颗粒薄膜磁电阻器件的室温反常霍尔电阻约为24ω，磁场灵敏度为34.3ω/t。
81.实施例7
82.将高纯fe靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(i)；将高纯c靶(直径60mm，纯度为99.9％)放入中科科仪生产的磁控溅射仪设备的溅射源(ii)。将清洗好的的si片衬底安装在磁控溅射仪设备的基片转台上。抽真空至腔室压强低于2
×
10-4
pa后打开溅射源(i)的直流电源和(ii)的射频电源。衬底温度保持常温并以30rpm的速率自转，并盖上挡板。调节溅射源(i)和(ii)的溅射功率，使得fe和c溅射速率比达到50:50，打开基片挡板，沉积5min。沉积完成后，关闭分子泵和机械泵，待溅射源降至室温后打开真空室，取出样品，得到最终的fe/c颗粒薄膜。
83.如图16所示，采用扫描电子显微镜测试所制备薄膜的厚度约为10nm。采用quantum design公司的物理性质测试系统(ppms-9)测量了所得颗粒薄膜的室温霍尔电阻。将霍尔电阻曲线从高磁场外推至0磁场得到饱和反常霍尔电阻，该fe/c颗粒薄膜磁电阻器件的室温反常霍尔电阻约为32ω，磁场灵敏度为45.7ω/t。

技术特征：
1.fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料，其特征在于，fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料呈颗粒薄膜结构，包括：母体，所述母体为非晶碳的c颗粒；母体内掺杂有随机分布的纳米的fe颗粒；fe颗粒与c颗粒的体积比为4:6～9:1。2.根据权利要求1所示的fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料，其特征在于，所述fe替换为co、ni、坡莫合金。3.根据权利要求1所述的fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料，其特征在于，所述fe颗粒的粒径在1.5～50nm；优选为2～10nm。4.根据权利要求1所述的fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料，其特征在于，所述fe颗粒与c颗粒的体积比为5:5～7:3。5.根据权利要求1所述的fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料，其特征在于，c为非晶碳。6.根据权利要求1所述的fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料，其特征在于，fe和c材料纯度均大于或等于99％。7.根据权利要求1所述的fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料，其特征在于，所述fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料的厚度为1.5～200nm。8.根据权利要求7所述的fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料，其特征在于，所述fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料的厚度在为5～20nm。9.根据权利要求1-8任一所述的fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料，其特征在于，其制备方法包括如下步骤：将fe颗粒的靶材和c颗粒的靶材分别放入磁控溅射设备的靶座(1)和靶座(ii)；抽真空，当真空室压强低于2
×
10-4
pa后打开靶座(1)和靶座(ii)的电源开始通入电流；使fe颗粒和c颗粒共同溅射到基片上，溅射过程中基片保持旋转；使得fe和c溅射速率比达到3:7～7:3，溅射时间均为2分钟～30分钟；打开基片挡板，沉积时间为10秒～2分钟；沉积完成后，待溅射源降至室温后打开真空室，取出样品，得到最终的fe/c颗粒薄膜反常霍尔效应材料。10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，溅射速率的比值为4:6～6:4；溅射时间为2分钟；沉积时间为1分钟。

技术总结
本发明公开了Fe/C颗粒薄膜反常霍尔效应材料及制备方法，该薄膜材料采用磁控共溅射技术，形成Fe纳米颗粒均匀分布在C薄膜母体中的颗粒膜结构，用于室温反常霍尔器件。本发明提供的颗粒薄膜反常霍尔器件材料原料来源广泛，成本低，薄膜厚度、结构和反常霍尔性质连续可调，在制备过程中采用共溅射的方法，可以获得成膜质量优，稳定性好，室温反常霍尔电阻率高的薄膜。的薄膜。的薄膜。


技术研发人员：郑灵程 程雅慧 刘晖 苏康睿
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/31