[发明专利]一种氧化锌掺铁稀磁半导体材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化锌掺铁稀磁半导体材料的制备方法。主要采用溶胶-凝胶法并引入抗坏血酸制备具有室温铁磁性的Zn_1-xFe_xO稀磁半导体薄膜和粉末。

背景技术

现代信息行业主要是利用半导体器件中电子的电荷自由度处理和传输信息，磁带、硬盘以及磁光盘等存储器件则是利用电子的自旋自由度来存储信息。如何将这两种性质结合起来探索新的功能材料，进一步增强半导体和磁性器件的性能，将是下一步发展的目标。传统的半导体材料中载流子的自旋没有得到充分利用的主要原因是信息行业中所用的材料绝大部分都是抗磁性的(如Si和GaAs等)。用磁性离子(过渡族金属元素或稀土元素)替代化合物半导体中的部分组成元素形成的稀磁半导体(DMS)开创了在半导体中利用和研究电子自旋性质的新领域。

稀磁半导体在近些年来受到了广泛的关注，因为这种材料因其与普通半导体截然不同的特性如巨法拉第效应，大的激子分裂，巨塞曼分裂等在自旋发光二极管、自旋激光器、自旋场效应器件、自旋量子信息处理等方面有着重要的应用前景，由此而产生的自旋电子学也引起了世界范围的研究热潮，而探索具有室温铁磁性的稀磁半导体便是其中的关键问题。

ZnO为宽禁带半导体，带隙为3.36eV，在很多不同领域有应用，如压电传感器，荧光，透明导电薄膜等，并且价格便宜，储量丰富，又具有环境友好性，一旦具有室温铁磁性的ZnO基稀磁半导体材料研制成功，可大量生产，广泛应用。

在关于Fe掺杂ZnO基稀磁半导体的理论研究上，K.Sato等人通过第一理论计算得到Fe，Co和Ni掺杂的ZnO基稀磁半导体具有稳定的铁磁状态。MarcelH.F.Sluiter等人通过基于第一理论计算的模型推断出Mn，Fe或Co掺杂的稀磁半导体比较难以实现，特别是在Mn和Fe的浓度高于8％时，最近邻的相互交换作用将会介入而变得相关，使得铁磁性难以实现而可能产生自旋玻璃态。

而在实验上，各种研究学者和小组对于Fe掺杂ZnO基稀磁半导体也得到了一些互不相同的现象和解释，由于Fe更容易以三价的形式存在，使正常的二价取代变得困难，导致它的溶解极限很低。掺杂浓度的限制，导致了磁性能始终处于较低水平。

但是，Fe作为一种普遍而重要的过渡族金属元素，同时将Fe掺杂进入ZnO后具有室温铁磁性的可能已经被K.Sato等人理论的证实，因此只要突破在掺杂浓度和掺杂方法上的瓶颈，Fe掺杂的ZnO基稀磁半导体也是具有深远的应用前景的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种氧化锌掺铁稀磁半导体材料的制备方法。

氧化锌掺铁稀磁半导体薄膜的制备方法包括如下步骤：

1)将摩尔百分比为1-x∶x的乙酸锌、醋酸亚铁分别溶入乙二醇甲醚中，并加入与金属阳离子等摩尔的乙醇胺作为稳定剂，配置成浓度为0.5～0.7mol/L的乙酸锌溶液和醋酸亚铁溶液，在醋酸亚铁溶液中以摩尔比1∶5～7加入抗坏血酸，在室温下搅拌至完全溶解后，将醋酸亚铁溶液缓慢加入到乙酸锌溶液中，继续搅拌12～15小时，然后静置陈化24～36小时，得到透明、均匀的溶胶；

2)将预先清洗好的衬底置于旋涂仪上，再把上述溶胶滴加在衬底上，开启旋涂仪，使溶胶均匀涂覆在衬底上；

3)将涂覆有溶胶的衬底放在烘箱内，于60～80℃下预热3～5分钟，然后重复涂覆、预热15～20次；

4)对完成涂覆的衬底在100～120℃真空干燥箱内烘12～18小时；

5)将经干燥的衬底在300～350℃的Ar气环境下，进行热处理，得到氧化锌掺铁稀磁半导体薄膜材料。

氧化锌掺铁稀磁半导体粉末的制备方法包括如下步骤：

1)将摩尔百分比为1-x∶x的乙酸锌、醋酸亚铁分别溶入乙二醇甲醚中，并加入与金属阳离子等摩尔的乙醇胺作为稳定剂，配置成浓度为0.5～0.7mol/L的乙酸锌溶液和醋酸亚铁溶液，在醋酸亚铁溶液中以摩尔比1∶5～7加入抗坏血酸，在室温下搅拌至完全溶解后，将醋酸亚铁溶液缓慢加入到乙酸锌溶液中，继续搅拌12～15小时，然后静置陈化24～36小时，得到透明、均匀的溶胶；

2)将溶胶在100～120℃真空干燥箱内烘12～18小时，得到凝胶；

3)将凝胶在300～350℃的Ar气环境下，进行热处理，得到氧化锌掺铁稀磁半导体粉末。