有序合金铁磁性纳米线结构体及其制造方法与流程

本发明涉及有序合金铁磁性纳米线结构体及其制造方法。

背景技术：

1、具有强垂直磁各向异性(pma：perpendicular?magnetic?anisotropy)和大的矫顽磁力(hc)的铁磁性体，以应用于磁阻式随机存取存储器(mram：magnetoresistive?randomaccess?memory)、超高密度硬盘驱动器(hhd：hard?disk?drive)内的tmr磁头(tunnelmagneto?resistive?head：隧道磁阻磁头)、铁磁性单电子晶体管(fm-set：ferromagneticsingle-electron?transistor)等自旋电子器件为目标而正在被广泛研究。其中，铁族元素与铂族元素的有序合金有望作为新一代的铁磁性材料。已知由a1无序相构成的铁族元素与铂族元素的合金通过接受规定的条件的热处理而相变，成为有序合金。例如，在copt的原子组成比为co∶pt＝1∶1的情况下，能够得到l10有序化copt合金。此外，在copt的原子组成比为co∶pt＝1∶3或3∶1的情况下，能够得到l12有序化copt合金。另外，l10和l12中的“l”正式上以斜体表示，在本说明书中以通常的字体表示。

2、关于有序合金铁磁性材料，已知有如下技术。在专利文献1中，记载了“一种磁记录介质，具有由非磁性材料构成的基板、和形成在该基板上的磁性材料层，其特征在于，上述磁性材料层包含：有序化结晶磁性纳米颗粒，其直接或隔着基底层形成在上述基板上，平均粒径为3～20nm；以及?；げ?，其覆盖该有序化结晶磁性纳米颗粒表面，由保持该有序化结晶磁性纳米颗粒的分散状态的无机材料构成(权利要求1)”，并记载了该有序化结晶磁性纳米颗粒是l10有序化copt磁性纳米颗粒(权利要求3)。

3、非专利文献1和非专利文献2是由本发明人们所撰写的。在非专利文献1中示出了如下实验：在sio2/si基板上，通过电子束蒸镀法成膜厚度3.0nm的ti层来作为用于提高密合性的基底层，接着，形成由厚度6.6nm的pt层和厚度4.8nm的co层构成的等原子双层膜(co50pt50)，接下来，使用rta装置，在真空中，在升温速度30℃/s、热处理温度200～900℃的范围中按照每100℃进行热处理时间30秒的热处理。而且示出了在热处理温度为800℃的情况下，通过copt双层薄膜的相互扩散形成有包含l12有序化copt3、l10有序化copt、以及l12有序化co3pt的倾斜薄膜，得到hc＝2.1koe的面内矫顽磁力和ms＝600emu/cm3的饱和磁化强度。

4、在非专利文献2中示出了如下实验：在sio2/si基板上，通过电子束蒸镀法将厚度1.2nm的co层和厚度1.6nm的pt层反复层叠四次，形成等原子(co/pt)4八层薄膜，接下来，使用rta装置，在真空中，进行900℃、1小时+30秒的热处理。而且示出了在热处理后观察球状的l10有序化copt，得到hc＝2.7koe的面内矫顽磁力。

5、在非专利文献3中示出了如下方法：将fe50pd50-xnix(x＝6,12,25,38,44)的混合粉末在6gpa的高压下进行高压扭转(hpt)加工，导入巨大应变，固化为固溶体状态的块状，通过继续进行热处理，得到l10有序合金。

6、现有技术文献

7、专利文献

8、专利文献1：日本特开2016-42399号公报。

9、非专利文献

10、非专利文献1：r.toyama?et?al.,formation?of?l10-ordered?copt?duringinterdiffusion?of?electron-beam-deposited?pt/co?bilayer?thin?films?on?si/sio2substrates?by?rapid?thermal?annealing,mater.res.express?7(2020)066101。

11、非专利文献2：r.toyama?et?al.,ti?underlayer?effect?on?the?ordering?ofcopt?in(cp/pt)4multilayer?thin?films?on?si/sio2?substrates,jpn.j.appl.phys.59,075504(2020)。

12、非专利文献3：堀田善治和其他五人“通过巨大应变加工制作的fe50pd50-xnix合金的结构变化和显微光谱分析”、spring-8/sacla使用研究成果集，2021年1月，第8卷，第3号，493-496页。

技术实现思路

1、发明要解决的问题

2、如果能够以纳米尺度高效制造有序合金，则从应用于各种自旋电子器件的观点出发是非常有利的。特别是，如果能够在半导体工艺中形成线型的有序合金，则能够期待使mtr元件的小型化变得容易等有用的应用。然而，在专利文献1中制作l10有序化copt磁性纳米颗粒，在非专利文献1和2中制作包含l10相的copt薄膜，在非专利文献3中制作fepdni的l10有序合金的块状材料，但它们都不能制作有序合金纳米线。至此，没有发现高效制作线宽为100nm以下这样的纳米级的有序合金铁磁性纳米线的优选的方法。

3、因此，鉴于上述课题，本发明的目的在于提供有序合金铁磁性纳米线结构和它的优选的制造方法。

4、用于解决问题的方案

5、为了解决上述课题，本发明人进行了深入研究，得到以下见解。通过将铁族元素和铂族元素的成膜与剥离(lift-off)工艺组合，能够制造由铁族元素和铂族元素构成的纳米线。本发明人发现，此时，如果将纳米线的线宽限制为规定的上限值以下，对纳米线实施规定的条件的热处理，则纳米线的铁族元素和铂族元素成为有序合金，能够得到有序合金铁磁性纳米线。

6、此外，本发明人发现，如果将纳米线的线宽设定为规定的下限值以上，且将在纳米线的与延伸方向垂直的截面上的厚度与线宽的比(以下，称为“纵横比”。)设定为规定值以上，对纳米线实施规定的条件的热处理，则纳米线不会中断，铁族元素和铂族元素成为有序合金，能够得到充分确保线长的有序合金铁磁性纳米线。另外，在本发明中，“纳米线”的意思是，由接受热处理前的铁族元素和铂族元素构成的纳米线，“有序合金铁磁性纳米线”的意思是，使所述纳米线接受热处理而形成的、由铁族元素和铂族元素有序化的合金构成的铁磁性纳米线。

7、根据以上见解而完成的本发明的主要结构如下。

8、[1]一种有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，具有：在基板上形成由铁族元素和铂族元素构成的纳米线的工序，所述纳米线的线宽为100nm以下，且线长为线宽的2倍以上；以及

9、对所述纳米线实施热处理，得到在所述基板上形成了有序合金铁磁性纳米线的有序合金铁磁性纳米线结构体的工序，所述有序合金铁磁性纳米线由所述铁族元素和所述铂族元素有序化的合金构成。

10、[2]根据上述[1]所述的有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，其中，在所述纳米线的与延伸方向垂直的截面上，厚度与线宽的比(厚度/线宽)为0.7以上且3.0以下。

11、[3]根据上述[1]或[2]所述的有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，其中，将所述纳米线的线长设为800nm以上。

12、[4]根据上述[1]至[3]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，其中，与所述基板上接触地形成所述纳米线。

13、[5]根据上述[1]至[4]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，其中，所述基板是氧化镁基板、氧化铝基板、钛酸锶基板、以及在表面形成有氧化硅膜的硅基板中的任一基板。

14、[6]根据上述[1]至[5]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，其中，通过电子束蒸镀法使所述铁族元素和所述铂族元素交替沉积而制作所述纳米线，从而使所述纳米线由所述铁族元素构成的第一层和由所述铂族元素构成的第二层的交替层叠体构成。

15、[7]根据上述[6]所述的有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，其中，所述第一层的厚度为2.0nm以上且15nm以下，所述第二层的厚度为3.0nm以上且15nm以下，所述第一层和所述第二层的层数为合计2以上且24以下。

16、[8]根据上述[1]至[5]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，其中，通过电子束蒸镀法或溅射法使所述铁族元素和所述铂族元素同时沉积而制作所述纳米线，从而使所述纳米线由所述铁族元素和所述铂族元素的复合体构成。

17、[9]根据上述[1]至[8]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，其中，在包含氢和惰性气体的环境下进行所述热处理。

18、[10]根据上述[1]至[9]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，其中，在所述热处理中，热处理温度为500℃以上且900℃以下，热处理时间为30分钟以上且360分钟以下。

19、[11]根据上述[1]至[10]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，其中，所述纳米线的原子组成比为所述铁族元素∶所述铂族元素＝1∶1，所述有序合金铁磁性纳米线为l10有序合金。

20、[12]根据上述[1]至[10]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，其中，所述纳米线的原子组成比为所述铁族元素∶所述铂族元素＝1∶3或3∶1，所述有序合金铁磁性纳米线为l12有序合金。

21、[13]根据上述[1]至[12]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体的制造方法，其中，所述铁族元素为co、fe以及ni中的任一元素，所述铂族元素为pt和pd中的任一元素。

22、[14]一种有序合金铁磁性纳米线结构体，其具有：基板；以及

23、由铁族元素和铂族元素有序化的合金构成的有序合金铁磁性纳米线，其形成在所述基板上，线宽为100nm以下，且线长为线宽的2倍以上。

24、[15]根据上述[14]所述的有序合金铁磁性纳米线结构体，其中，所述有序合金铁磁性纳米线的线长为800nm以上。

25、[16]根据上述[14]或[15]所述的有序合金铁磁性纳米线结构体，其中，所述有序合金铁磁性纳米线与所述基板上接触地形成。

26、[17]根据上述[14]至[16]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体，其中，所述基板是氧化镁基板、氧化铝基板、钛酸锶基板、以及在表面形成有氧化硅膜的硅基板中的任一基板。

27、[18]根据上述[14]至[17]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体，其中，所述有序合金铁磁性纳米线为l10有序合金。

28、[19]根据上述[14]至[17]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体，其中，所述有序合金铁磁性纳米线为l12有序合金。

29、[20]根据上述[14]至[19]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体，其中，在所述有序合金铁磁性纳米线的与延伸方向垂直的截面上，所述有序合金铁磁性纳米线与所述基板的接触宽度小于所述有序合金铁磁性纳米线的最大宽度。

30、[21]根据上述[14]至[20]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体，其中，所述有序合金铁磁性纳米线由多个晶粒连结而成，各个所述晶粒由包含孪晶的单晶构成。

31、[22]根据上述[14]至[21]中任一项所述的有序合金铁磁性纳米线结构体，其中，所述铁族元素为co、fe以及ni中的任一元素，所述铂族元素为pt和pd中的任一元素。

32、发明效果

33、根据本发明的制造方法，能够优选地制造有序合金铁磁性纳米线结构体。