[发明专利]非磁性离子Zn2+、Mg2+、Al3+掺杂SnO2基磁性半导体薄膜材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非磁性离子Zn²⁺、Mg²⁺、Al³⁺掺杂SnO₂基磁性半导体薄膜材料及制备方法。主要采用脉冲喷雾蒸发化学气相沉积(PSE-CVD，Pulsed spray-evaporation chemical vapor deposition)技术，并结合非磁性离子Zn²⁺、Mg²⁺、Al³⁺掺杂制备具有室温铁磁性且磁性可控的SnO₂基磁性半导体薄膜。

背景技术

信息技术是当代及未来人类社会发展的重要主宰，信息的处理、输运和存储的规模和速度是信息技术发展中的核心和关键。目前，信息技术主要分成两类平行发展的方向：以半导体材料（电子的电荷属性）为支撑的信息的处理和输运以及以铁磁性材料（电子的自旋属性）为主的信息存储。如何能同时利用电子的电荷和自旋属性，使信息存储和处理能够同时进行，从而极大的简化设备结构、增强器件的功能性就成为当前信息技术研究的热点，磁性半导体材料兼具电子的电荷和自旋属性，是下一代电子自旋器件的材料基础，它的研究无疑是未来信息技术以及相关功能器件领域进步的重要保证。

当前，磁性半导体中的自旋注入还主要是通过磁性元素（过渡金属或稀土金属）对半导体材料进行掺杂的方式而获得，即稀磁半导体（DMS）。虽然采用Co、Ni、Mn、Eu、Gd等磁性元素掺杂所获得的稀磁半导体样品被证实具有室温铁磁性，但由于体系中存在包括本征磁性、掺杂磁性元素的团簇、磁性第二相、载流子和缺陷等多种可能的铁磁性来源，这就极大地影响了铁磁性的调制和材料的实际应用。

另一方面，纯氧化物半导体材料中室温铁磁性的发现为磁性半导体研究开启了一个全新的方向。2004年，Coey等人首先在纯HfO₂薄膜中发现了居里温度大于500℃、磁矩为0.15 μ_B/ HfO₂的室温铁磁现象。由于Hf⁴⁺和O^2-均为非磁性离子，因此这个特殊的结果丰富了人们对磁性来源的认识。随后，研究人员相继在纯的TiO₂、ZnO、SnO₂、In₂O₃和CeO₂等氧化物半导体材料中观察到了室温铁磁现象。研究发现：由于上述体系中的缺陷（V_O、阳离子空位等）形成的缺陷能级诱导价带发生分裂，电子发生跃迁，从而造成以上非磁性元素体系中的产生了磁矩。它的发现为磁性半导体的制备提供了新的思路：传统情况下铁磁性是通过磁性元素掺杂实现自旋注入（DMS），现今磁性元素掺杂成为非必要的手段，铁磁性可以通过特定的缺陷诱导获得。同时，避开磁性元素的使用，制备出单纯由缺陷诱导铁磁性的磁性氧化物半导体，排除了在传统DMS体系中磁性第二相或磁性粒子团簇对磁性来源的干扰，通过非磁性元素对半导体进行掺杂调控缺陷形态和浓度，从而可以实现对铁磁性的有效调制，研究结果无论是对磁性半导体的理论研究，还是实际应用，都具有非常重要的意义。

SnO₂为宽禁带半导体，带隙为3.6eV，在很多领域都有广泛的应用，如气体传感器，催化，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，一旦具有可控室温铁磁性的SnO₂基磁性半导体薄膜材料研制成功，可大量生产，广泛应用。

此外，理论计算和实验结果均表明：远离平衡态制备技术是制备可诱导铁磁行为的缺陷的必要手段。PSE-CVD技术是一项采用脉冲喷雾、液相前驱物、低压气相沉积的新颖技术，由于其脉冲进样、气相沉积的特点，使得反应过程中体系处于周期性震荡的模式之中，具有很好的远离平衡态特点。

针对以上的问题，我们通过PSE-CVD技术制备了非磁性离子Zn²⁺、Mg²⁺、Al³⁺掺杂的SnO₂基磁性半导体薄膜材料，成功获得了室温铁磁性，并在此基础上，通过掺杂浓度的改变，实现了对铁磁性的有效调制。

发明内容

本发明的目的是提供一种非磁性离子Zn²⁺、Mg²⁺、Al³⁺掺杂的SnO₂基磁性半导体薄膜材料及制备方法。