[发明专利]无掺杂室温铁磁性自旋零禁带半导体薄膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到自旋零禁带半导体薄膜及其制备方法，尤其是涉及到具有室温铁磁性的无掺杂自旋零禁带半导体薄膜及其制备方法。

背景技术

作为继半金属和稀磁半导体之后的新型自旋电子材料，自旋零禁带半导体理论上兼具高自旋极化率与大自旋扩散长度，近年来逐渐引起人们关注。自旋零禁带半导体的概念由澳大利亚Wollongong大学Wang Xiaolin教授于2008年提出。该种材料基于零禁带半导体，但又具有不同于零禁带半导体的特殊能带结构：在某一自旋方向（或两个自旋方向都）存在禁带，但相同或不同自旋方向的价带顶和导带底会在费米能级处接触，呈现零禁带特性。在这种情况下，自旋零禁带半导体一方面具有零禁带半导体的优越特性，包括：能带结构、输运性质等对磁场、电场、压力、温度等外界影响的反应极度灵敏；电子从价带到导带的迁移不存在最低激发能量阈值；电子迁移率比传统半导体高2—4个数量级；另一方面，自旋零禁带半导体理论上还具有如下独特优越特性：（1）激发载流子具有100%自旋极化；（2）利用霍尔效应可实现100%自旋极化电子与空穴的分离；（3）可通过电压控制费米能级的移动，从而调控100%自旋极化载流子的浓度。

鉴于离子掺杂可以调控半导体的能带结构，Wang教授提出：自旋零禁带半导体可通过在零禁带或窄禁带半导体中掺杂磁性离子获得。在Wang教授之前，研究人员只在Hg系II-VI族非氧化物的化合物中获得过零禁带半导体，但这些材料含Hg等有毒元素，且极易氧化，因而并不适于实用。通过第一性原理计算，Wang教授发现：PbPdO₂具有零禁带特性；在PbPdO₂中掺杂25at.%Co之后，其能带呈现自旋零禁带特性。2009年，Wang教授研究团队使用脉冲激光沉积首次合成这种掺25at.%Co的自旋零禁带半导体氧化物薄膜，获得了巨电致电阻和巨磁电阻效应，并认为可能是由于费米能级受外界电流或磁场的影响所致。

自旋电子材料的实用要求在室温之上具有铁磁性。2010年和2011年，韩国M.H. Jung研究团队报道了PbPdO₂块材在掺杂10at.%Co和10at.%Mn后的磁性，发现它们仅在低温（2K）具有铁磁性，室温为顺磁性。2011年，本申请发明人在Appl. Phys. Lett.期刊上报道了PbPdO₂薄膜在掺杂19at.%Co之后具有室温之上的铁磁性，并发现其奇特磁性能可能与自旋零禁带结构有关。

除PbPd_1-xCo_xO₂材料外，目前ZnTe:Mn、N掺杂石墨烯锯齿形纳米带、含B或N空位的BN纳米带、YZn_0.89Co_0.11AsO、边缘连结CH₂的石墨烯扶手椅状纳米带、高压下的HgCr₂Se₄等也被报道理论上具有自旋零禁带结构。其中，对石墨烯纳米带、BN纳米带、以及HgCr₂Se₄的理论研究分别来自南开大学周震教授、复旦大学杨中芹教授、以及北京物理所刘邦贵研究员的研究组，相关报道有10余篇，这种材料在理论和实验中均已初步展示出优异的性能。

目前，实验上关于铁磁性自旋零禁带半导体的研究均是往PbPdO₂中掺入过渡族金属离子，而无掺杂PbPdO₂材料虽已被实验证实为首个零禁带氧化物，但仅在低于20K的低温下获得过铁磁性，且未发现具有自旋零禁带相关特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对自旋零禁带半导体的技术现状，提供一种具有室温铁磁性的无掺杂室温铁磁性自旋零禁带半导体薄膜及制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案：

本发明无掺杂室温铁磁性自旋零禁带半导体薄膜的特点是：所述半导体薄膜的微结构为颗粒膜结构，所述颗粒膜结构是由尺寸介于17-35nm的体心正交PbPdO₂纳米晶粒构成。

本发明无掺杂室温铁磁性自旋零禁带半导体薄膜的制备方法的特点是按如下步骤进行：

a、分别称取铅和钯的硝酸盐或氯化物，铅和钯的原子比为(1.02-1.1)∶1；

b、以乙二醇为有机溶剂，将铅和钯的硝酸盐或氯化物分别完全溶解于有机溶剂中，然后将两种溶液混合，并用同样的有机溶剂稀释，得到铅离子浓度为0.01-0.4mol/L的混合溶液；