[发明专利]一种制备ZnO基稀磁半导体纳米线阵列的方法

说明书

技术领域：

本发明属于稀磁半导体制备方法技术领域，具体涉及ZnO基稀磁半导体纳米线阵列的制备方法。

背景技术：

自美国《科学》(Science，2000年，第287卷，第1019页)预言基于ZnO的稀磁半导体(DMS)材料有望成为构造全新短波长自旋光电子器件以来，有关ZnO基DMS一维纳米结构的研究陆续有报导，但其制备方法主要集中于物理或化学气相沉积，如利用热化学气相沉积法制备的ZnO:Co单晶纳米棒阵列(见《应用物理快报》，Appl.Phys.Lett.2004年，第85卷，第1027页)，采用激光脉冲沉积在Si衬底上的Co掺杂ZnO单晶纳米锥阵列(见《应用物理快报》，Appl.Phys.Lett.2005年，第87卷，第173119页)，以及采用热蒸发与化学气相沉积制备的Mn掺杂ZnO纳米线等(见《应用物理快报》，Appl.Phys.Lett.2003年，第83卷，第4020页，以及Appl.Phys.Lett.2005年，第87卷，第172505页)。在这些ZnO基DMS一维纳米结构的制备方法中，大部分包含有气相沉积过程。从蒸发、输运，到成核、扩散和生长的过程中，反应物浓度和比例都是在不断变化的，因而会产生金属或金属氧化物杂质；同时反应物浓度的不均匀和成核的先后不同，导致磁性原子在ZnO成核过程中很容易被排斥出核外，这必然会影响到磁性原子掺杂的有效性、均匀性和含量可控性；由于在一维纳米结构的生长过程中同时伴有新核的产生，因而产物的形貌和尺寸很难控制。

发明内容：

本发明提出一种制备ZnO基稀磁半导体纳米线阵列的方法，可从原理上确保不会产生金属和金属氧化物杂质，能均匀而有效地引入磁性原子且含量可控，该纳米线及其阵列的尺寸可调。

本发明制备ZnO基稀磁半导体纳米线阵列的方法，其特征在于：先在双通绝缘模板的一面采用蒸镀或溅射的方法制备一层导电物质，然后将其浸没在水或M-Zn合金电镀液中，在低于1Pa的压力下抽真空5～60min；然后将抽好真空的模板上有导电物质的一面做阴极，采用石墨或铂做阳极，以0.1～10mA/cm²进行M-Zn合金的电化学共沉积10min～10h；将沉积好的样品在300～600℃的氧气或空气中保温不少于30h，即得到ZnO基稀磁半导体纳米线阵列；所述M-Zn合金中的M＝Fe、Co和/或Ni。

本发明方法中，采取将一面有导电物质的模板浸没在水或者M-Zn合金电镀液中抽真空处理，是为了将模板孔洞中的气泡排出，以便在接下来的电化学共沉积过程中，金属离子能够进入模板孔洞，从而实现纳米线连续致密的沉积；由于通常所用的机械泵真空度都可达到0.01～1Pa的压力，因此一般可以在5～60min内就能将模板孔洞中的气泡充分地排出。本发明方法在电化学共沉积过程中，电流密度不宜小于0.1mA/cm²，否则沉积速度太慢；电流密度也不宜大于10mA/cm²，否则金属离子将会沉积到模板表面，从而得不到连续致密的纳米线；电化学沉积的时间可根据所需要的纳米线长度控制在10min～10h之间。电化学共沉积好的样品，需要在高温的氧气或空气中保温一段时间，以便锌能够完全氧化成氧化锌，温度在300℃以下时，锌的氧化速度太慢，且难以氧化完全，在600℃以上时，模板容易晶化变形；本发明方法中采取保温30小时以上，以确保锌氧化完全，并在锌完全氧化为氧化锌的同时，使均匀分布的少量磁性金属原子均匀进入到氧化锌的晶格中，从而得到ZnO基稀磁半导体纳米线阵列。

与已有气相沉积技术相比，本发明方法具有显著进步的效果体现在：

1、由于本发明采用了电化学共沉积过程，反应物的浓度和比例自始至终都比气相沉积方法稳定得多，使得产物中不会产生金属和金属氧化物杂质；由于本发明中的电化学沉积条件非常稳定，因而锌原子和磁性原子都是按原子比进行沉积的，使得磁性原子的分布达到分子水平的均匀，与气相方法相比，本发明克服了磁性原子难于有效引入以及掺杂不均匀的缺点。

2、本发明方法中由于采用模板，使合成的DMS纳米线阵列中纳米线的直径与模板的孔径一致；所制备纳米线的长度可以由电沉积的电流密度和时间精确控制。这克服了气相沉积方法中由于反应物浓度不均匀和成核先后不同造成的纳米线尺寸难于控制的问题。

3、采用本发明方法进行电化学共沉积纳米线阵列，可以简便地通过改变电镀液配方来精确控制合金纳米线阵列中各元素的含量，克服了气相沉积方法中由于反应物浓度不均匀和磁性原子容易排斥出核外造成的磁性原子含量难以控制的问题。

附图说明：