电子磁性材料Fe3Si 薄膜的研究进展

文/高赐国 谢晶 谢泉 刘栋

磁性Fe3Si 薄膜具有高饱和

磁化强度、高磁导率、高自旋极

化率等优越性，在巨磁阻方面和

自旋电子器件中有着广泛应用前

景。本文介绍了目前关于Fe3Si 薄

膜制备的几种主要方法——分子

束外延法、脉冲激光沉积法、离

子束合成法、射频溅射法等。通

过对国内外Fe3Si 薄膜发展现状的

研究，分析了Fe3Si 薄膜的结构、

性能及应用。

摘 要

长超薄Fe3Si 薄膜的研究，制备的薄膜厚度从

2-210 纳米层（ML），膜厚即使薄到2ML 也

具有铁磁性，当膜厚为10ML-50ML 时，样品

的矫顽力随膜厚的减小逐渐增大，而当膜厚为

2ML-10ML 时，矫顽力变化趋势则表现出相反

特性，且随膜厚增加，其磁滞回线矩形度越好。

2004 年6 月，D.Nakagauchi 等[2] 通过

脉冲激光沉积在硅和石英衬底上生长了铁磁性

Fe3Si 薄膜，当衬底温度为300℃时，硅和石英

衬底都能很好的生长出单一的多晶Fe3Si 薄膜，

而当衬底温度超过400℃时，硅衬底中的硅会

扩散到薄膜中去，形成Fe3Si 和FeSi 混合相。

同时还发现Fe3Si 薄膜跟半导体FeSi2 具有相

同的阻值，因此有望应用于多层巨磁电阻方面。

2005 年11 月， Kobayashi 等通过分子束

外延法制备了一种Fe3Si/CaF2/Fe3Si 混杂结构，

通常情况下，如果铁和硅直接沉积到衬底硅

上，很难阻止FeSi 相的形成，通过在Fe3Si 和

Si 衬底之间加一层CaF2，在Fe3Si 生长为温度

400℃时，证明CaF2 层能够阻止FeSi 相的形成，

同时测得饱和磁化强度和矫顽磁场强度分别为

550 emu/cm3 和20 Oe。

2007 年2 月，Kobayashi 等使用分

子束外延法在CaF2/Si(111) 上外延生长了

Fe3Si(24nm)/CaF2(2nm)/Fe3Si(12nm) 磁性隧道

结结构，研究发现Fe3Si 薄膜的衬底生长温度

为80℃时，250℃退火半个小时，得到的薄膜

具有很高平整度。

3.2 国内研究现状

2007 年1 月，Fangting Lin 等[3] 采用脉

冲激光沉积法制备了单一相Fe3Si 薄膜，研究

Fe3Si/Si(100) 异质结的结构有序性和磁学性质，

发现随着衬底温度的增加，Fe3Si 结构从A2 到

B2 再到稳定DO3 转变；饱和磁化强度随衬底

温度的升高而降低。室温下得到的薄膜饱和磁

化强度为917kAm-1，与块体DO3 型Fe3Si 的

饱和磁化强度相近。

2009 年3 月，YingJing 等采用物理气相

冷凝沉积方法制备Fe3Si 纳米粒子，其各向异

性常数K1 估计为8.0×105 ergs/cm3，Fe3Si 与

Heuslar 合金具有相似的性质，具有高极化率，

有望用于自旋电子器件上。

在2013 年3 月，YingJing 等通过物理气

相沉积法制备了Fe3Si 纳米粒子，发现它有很

高的磁矩和较大的磁各向异性势垒，具有可变

磁场加热效应，合适的工作条件，预计Fe3Si

纳米粒子将能在超过150 Oe 电磁场和100

KHz 频率条件下运行。

4 总结

综上所述，铁磁性Fe3Si 薄膜具有优异的

磁性能，在巨磁阻方面和自旋电子器件中有着

广泛应用前景。通过对Fe3Si 薄膜制备方法和

国内外研究现状的研究和综合分析，对今后

Fe3Si 薄膜的制备和性能研究及应用上有重要

的参考价值和借鉴意义。

（通讯作者：谢泉）

参考文献

[1]S.H.Liou,S.S.Malhotra,and J.X.Shen,

Magnetic properties of epitaxial

singal crystal ultrathin Fe3Si films

on GaAs(001),Nebraska 68588-0111.

[ 2 ] D . N a k a g a u c h i , T . Y o s h i t a k e ,

K . N a g a y a m a b . F a b r i c a t i o n o f

ferromagnetic Fe3Si thin films by

pulsed laser deposition using an

Fe3Si target[J].Vacuum 2004,74:

653-657．

[3]F.T.Lin,D.M.Jiang,X.M.Ma,W.Z.Shi.

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Films,2007,515:5353-5356.

作者简介

高赐国（1989-），男，安徽亳州人。现为贵

州大学硕士研究生。主要研究方向为电子功能