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RTP快速退火炉的晶化在铁石榴石薄膜各向异性调控中的应用
- 分类： 学术知识
- 作者：周酉林
- 来源：武汉嘉仪通科技有限公司
- 发布时间：2024-04-10
- 访问量： 62
【概要描述】稀土石榴石（Rare earth iron garnets ，REIGs）是一种富含稀土元素的矿物，···
RTP快速退火炉的晶化在铁石榴石薄膜各向异性调控中的应用
【概要描述】稀土石榴石（Rare earth iron garnets ，REIGs）是一种富含稀土元素的矿物，···
- 分类： 学术知识
- 作者：周酉林
- 来源：武汉嘉仪通科技有限公司
- 发布时间：2024-04-10
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稀土石榴石（Rare earth iron garnets ，REIGs）是一种富含稀土元素的矿物，因其独特的物理和化学特性，在自旋电子和磁电子等领域展现出巨大的应用潜力。其快速自旋波动力学、高畴壁速度以及低至中等的阻尼特性使其在微波器件和高频通讯等领域表现出卓越的性能[1]。同时，稀土石榴石还具备良好的磁学性能，使其成为数据存储和磁传感器的理想选择，在电子、通讯、激光和数据存储等领域。然而，在压电衬底上生长的稀土铁石榴石薄膜上，电压诱导的各向异性调制尚未得到证明。
目前，Miela J. Gross[2]利用磁控溅射技术在Si（001）或PMN-PT（011）衬底上制备了5nm SiO2涂层。随后，通过脉冲激光沉积（PLD）技术，成功共沉积了化学DyIG和YIG靶材，制备出42nm厚的YDyIG薄膜。并在750℃的O2氛围下进行了5分钟的快速热处理（RTP），以促进薄膜的结晶化，从而提高其石榴石结构的有序性和性能。
图1 YDyIG薄膜在SiO2/PMN-PT衬底上的生长情况
图1展示了YDyIG薄膜在SiO2/PMN-PT衬底上的生长情况。42 nm厚的YDyIG/Si薄膜结晶为单相的、无二次相的石榴石。然而，直接在PMN-PT衬底上生长和退火的薄膜产生了原铁氧体薄膜（Y，Dy）FeO3特征的峰，图1(a).正铁氧体的形成是由于钙钛矿结构的PMN-PT上的外延生长。作为比较，从YIG靶生长的薄膜，在钛酸锶基底上同样形成钇原铁氧体[3]。因此，需要一个屏障层来防止外延生长，而这是由5 nm的非晶态二氧化硅提供的。42 nm YDyIG/5 nm SiO2/PMN-PT结晶后的聚合入射x射线衍射（GIXD），图1(a)显示了单相多晶石榴石峰，证实了二氧化硅屏障的有效性。
图2 YDyIG薄膜的晶粒结构和表面形貌况
图2揭示了YDyIG薄膜的晶粒结构和表面形貌。从图中可以看出，每个晶粒呈现出放射状的线状特征。这些特征是由于低角度晶界在晶化前沿不稳定时形成的。此外，研究还发现，YDyIG薄膜在两种基底上均由约5微米直径的晶粒组成。这是在快速热处理中稳定生长的结果。
图3 YDyIG/SiO2/PMN-PT在不同电压下磁滞回线的变化情况
图3展示了YDyIG/SiO2/PMN-PT在不同电压下磁滞回线的变化情况。当在[D11]方向施加OP电压后，磁滞回线发生了明显的变化。这种变化是由于OP电压对YDyIG薄膜的磁各向异性产生了调制作用。具体来说，施加OP电压后，YDyIG薄膜中的两个具有IP和OP分量的磁畴被选择出来。在去除电压后，这些磁畴的数量增加或成为主导磁畴。这种变化导致了薄膜的磁各向异性发生变化，从而影响了磁滞回线的形状。这一发现为稀土石榴石在磁电子领域的应用提供了新的思路和方向。
稀土铁石榴石具有的明显的磁各向异性也源于RTP快速退火炉的良好表现，RTP系列产品是武汉嘉仪通科技有限公司的核心产品，在薄膜材料制备及热处理方面展现出诸多优势，形成鲜明的行业竞争力，为高质量薄膜材料提供了快速升降温、高稳定性的、高均匀性的高温场和气氛保护或反应气体，具体表现在：
√ 快速升温的高温场能够促进激活材料，以促进薄膜的结晶化，提高其薄膜的有序性和性能。
√ 高温条件下的稳定保温有助于薄膜晶种持续稳定的生长，获得均匀性高的晶体尺寸；
√ 反应气氛填充有助于薄膜缺陷的消除，及时对晶体结构的填充，形成致密的结晶相。
此外，嘉仪通快速退火炉（RTP，Rapid Thermal Processing）产品，采用红外辐射加热及冷壁技术，可实现对薄膜材料的快速升温和降温，同时搭配超高精度的温度控制系统，可达到极佳的温场均匀性和稳定性。
嘉仪通(JouleYacht)快速退火炉系列可处理1-12吋样品，对材料的金属合金化、快速热处理、快速热退火、快速热氧化及快速热氮化等研究和生产起到重要作用。
参考文献：
[1] Azam M A, Bhattacharya D, Querlioz D, et al. Voltage control of domain walls in magnetic nanowires for energy-efficient neuromorphic devices[J]. Nanotechnology, 2020, 31(14): 145201.
[2] Gross M J, Misba W A, Hayashi K, et al. Voltage modulated magnetic anisotropy of rare earth iron garnet thin films on a piezoelectric substrate[J]. Applied Physics Letters, 2022, 121(25).
[3] Ning S, Kumar A, Klyukin K, et al. An antisite defect mechanism for room temperature ferroelectricity in orthoferrites[J]. Nature Communications, 2021, 12(1): 4298.
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