[发明专利]钇掺杂氮化铝稀磁半导体准阵列微米管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体自旋电子器件材料的技术领域，特别涉及了一种简单、高效的制备非磁性稀土金属元素钇掺杂氮化铝稀磁半导体准阵列微米管的方法。

背景技术

稀磁半导体（Diluted Magnetic Semiconductor，DMS）是能同时利用载流子的自旋和电荷两种自由度将磁、电集于一体的半导体器件。尤其是铁磁性半导体材料的出现带动了半导体自旋电子学的发展。室温铁磁半导体材料的制备，半导体材料中有效的电子自旋注入，以及电子自旋在半导体结构中输运和操作已成为目前半导体自旋电子学领域中的热门课题。DMS呈现出强烈的与自旋相关的光学性质和输运性质，这些性质为在磁感应器、半导体激光器集成电路以及量子计算机等领域的应用提供了物理基础。

目前多数DMS研究是以掺杂磁性3d过渡金属离子的半导体材料为主，对稀土元素掺杂的Ⅲ族氮化物DMS研究还很少。氮化铝（AlN）是Ⅲ族氮化物中带隙宽度最大的半导体，具有优良的热传导性、抗腐蚀性、高硬度、高强度、高绝缘性、无毒以及光电、压电特性，可以应用于紫外、蓝光发射器件、高温大功率器件、光电子器件、高级陶瓷、复合材料等领域。AlN基的DMS兼具半导体优良的光电特性以及新颖的电磁、光磁的特性，逐渐的成为新型功能材料的研究热点。

国内外已有许多单位采用多种实验方法进行DMS的制备与物性的研究（Dietl T,Ohno H,Matsukura F,et al.Science,2000,287,1019.；Ohno H.,Science,1998,281,951.；H.Ohno,N.Akiba et al.,Appl.Phys.Lett.,1998,73,363.），特别是中科院半导体所超晶格国家重点实验室夏建白院士小组在DMS的制备与物性研究方面取得多项重要成果，他们最近在非磁性掺杂的铁磁性半导体基础研究中又取得重要进展（H.W.Peng,H.J.Xiang,et al.Phys.Rev.Lett.,2009,102,017201.）。此外，北京大学宽禁带半导体研究中心、中国科技大学、浙江大学、吉林大学等单位在DMS的制备、物性等方面做了大量工作。吉林大学的崔啟良小组利用改进的直流电弧等离子体方法，成功的制备稀土元素钪（Sc）掺杂的AlN纳米六棱柱和纳米六重结构，以及钇（Y）掺杂的AlN纳米六棱柱结构，并证明它们的室温铁磁性（W.W.Lei,et al.,Angew.Chem.Int.Ed.2010,49,173.；W.W.Lei,et al.,Appl.Phys.Lett.2009,95,162501.W.W.Lei,et al.,J.Phys.Chem.C 2010,114,15574–15577），这为继续探索其它稀土元素掺杂AlN稀磁半导体材料提供了良好的理论与实验基础。

利用电弧法制备Y掺杂AlN稀磁半导体准阵列微米管的报道还未出现。与本发明最相近的报道为Y掺杂的AlN纳米六棱柱结构（W.W.Lei,et al.,J.Phys.Chem.C2010,114,15574–15577）。此报道中利用Al和Y的合金块，在改进的直流电弧放电设备中制备出AlN:Y的纳米六棱柱形貌，但是此方法样品制备需要固定的基片，反应原料合金块的定制也需要耗费大量时间与财力。本发明同样采用直流电弧放电装置，通过Y与Al粉体直接混合压块，改变实验条件，直接制备出Y掺杂AlN稀磁半导体准阵列微米管，不需要制备金属合金块以及任何的基片，节约了成本，实验过程简单便利。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，公开一种稀土元素Y掺杂AlN稀磁半导体准阵列微米管结构，克服传统制备方法中的诸多限制，设计了一种制备Y掺杂AlN稀磁半导体准阵列微米管的方法，该方法简单、重复性好、成本低、无催化剂、无模板、无需基片、对环境友好，制备出的AlN稀磁半导体准阵列微米管产量大、纯度高。