[发明专利]一种锰掺杂氮化镓室温铁磁纳米材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于稀磁半导体(DMS)的锰掺杂氮化镓纳米材料及其制备方法，属于稀磁半导体技术领域。

背景技术

氮化镓是一种性能优越的直接带隙半导体材料，带隙为3.32电子伏，是世界公认的第三代半导体材料。目前已经被广泛应用于蓝光光电子器件、高频、高功率电子器件等多个重要领域。近年来随着稀磁半导体在理论研究(如自旋计划的输运、自旋相关的共振隧穿)和实际应用(如磁光和磁电器件、自旋量子计算机)方面的潜在价值，越来越受到世界各国研究人员的密切关注。氮化镓基稀磁半导体，特别是锰掺杂的氮化镓材料更以超过室温的居里转变温度和可以在高温、高功率光电器件领域得到广泛应用而成为最有前景的稀磁半导体材料。

通常用来制备锰掺杂氮化镓材料的方法主要有：直接氮化法、化学气相沉积法、金属有机化学气相沉积法、磁控溅射法以及原子束外延等制备方法。这些合成方法大多需要价格高昂的设备以及复杂的制作工艺，而且合成的材料通常存在氧缺陷含量较高、锰元素的掺入量相对较低、材料的结构及质量较差等缺点。

发明内容

本发明针对目前合成的锰掺杂氮化镓材料中存在的氧缺陷的含量高、锰元素的掺入量少等问题，提供一种氧缺陷的含量低、锰元素的掺入量多的锰掺杂氮化镓室温铁磁纳米材料；同时提供一种该材料的制备方法，该方法成本低廉、便于大规模生产、简单有效，能够合成高质量的锰掺杂氮化镓室温铁磁纳米材料。

本发明的锰掺杂氮化镓室温铁磁纳米材料的化学式为：Mn/GaN，锰的掺入量为0.19％-3％。

上述锰掺杂氮化镓室温铁磁纳米材料的制备方法包括以下步骤：

(1)原料混合：按质量比20：1：0.24—12.8的比例将氧化镓、二氧化锰和活性炭粉的粉末(锰与镓的原子数比为1：20，碳与镓的原子比为1：10—5：1)在研钵中研磨10分钟充分混合；

(2)材料制备：将混合均匀的粉末放入石英坩埚，然后转移到管式炉中，管式炉中通入流量为300ml/min的氨气，以25℃/min的升温速率升到850℃保持3个小时，然后在氨气气氛下自然降温至200℃，停止通入氨气，自然降至室温，即得锰的掺入量在0.19％-3％的锰掺杂氮化镓纳米材料。

本发明在制备过程中加入活性炭，充分利用活性炭的强还原特性，有效抑制了合成过程中氧缺陷的含量，大大提高了锰元素的掺入量，并提高了材料的晶体质量，克服了用氧化镓直接在氨气气氛下氮化合成氮化镓过程中存在的大量氧缺陷以及锰元素难以掺入的缺点。另外，由于活性炭的加入改变了材料生长的过程，得到了一维纳米结构的锰掺杂氮化镓材料，该材料具有室温下铁磁性强的特点，有利于用于制作磁性相关的器件。

具体实施方式

实施例1

(1)原料混合：按20：1：0.24的比例将1克氧化镓、0.05克二氧化锰和0.012克活性炭的粉末在研钵中研磨10分钟充分混合(其中Mn:Ga的原子比为1:20，C:Ga的原子比为1:10)。

(2)材料制备：将混合均匀的粉末放入石英坩埚，然后转移到管式炉中，通入流量为300ml/min的氨气，以25度/min的升温速率升到850度保持3个小时，然后在氨气气氛下自然降温至200度，关闭氨气自然降至室温，即得锰的掺入量为0.19％的锰掺杂氮化镓纳米材料。

实施例2

(1)原料混合：按20：1：0.52的比例将1克氧化镓、0.05克二氧化锰和0.026克活性炭的粉末在研钵中研磨10分钟充分混合(其中Mn:Ga的原子比为1:20，C:Ga的原子比为1∶5)。

(2)材料制备：将混合均匀的粉末放入石英坩埚，然后转移到管式炉中，通入流量为300ml/min的氨气，以25度/min的升温速率升到850度保持3个小时，然后在氨气气氛下自然降温至200度，关闭氨气自然降至室温。即得锰的掺入量为0.2％的锰掺杂氮化镓纳米材料。

实施例3

(1)原料混合：按20：1：1.28的比例将1克氧化镓、0.05克二氧化锰和0.064克活性炭的粉末在研钵中研磨10分钟充分混合(其中Mn:Ga的原子比为1:20，C:Ga的原子比为1:2)。

(2)材料制备：将混合均匀的粉末放入石英坩埚，然后转移到管式炉中，通入流量为300ml/min的氨气，以25度/min的升温速率升到850度保持3个小时，然后在氨气气氛下自然降温至200度，关闭氨气自然降至室温。即得锰的掺入量为0.62％的锰掺杂氮化镓纳米材料。

实施例4