[发明专利]一种磁性氧化锌纳米线及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型稀磁半导体材料，特别涉及一种原位掺杂、磁性氧化锌纳米线及其制备方法。

背景技术

稀磁半导体 (Diluted Magnetic Semiconductor, DMS)是在传统的半导体材料中掺入磁性粒子，使其成为既具有半导体电子电荷特性，又具备磁性材料电子自旋属性的新型半导体功能材料。这种磁性半导体可用来制备如自旋场效应晶体管、自旋发光二极管等器件；同时，如果与现有半导体集成工艺相结合，在光、电、磁功能集成器件方面也将具有重要的应用前景，对信息和自动化工业的发展具有重要的推动作用。

氧化锌是一种性能优良的宽带隙半导体，其禁带宽度为3. 37 eV ,激子束缚能为60 meV。T. Dietl 等人通过理论计算预言ZnO 掺入少量的Mn (< 4 %) 可制成室温下的稀磁半导体材料（Dietl T , Ohno H , Mat sukura F , J. Cibert, D. Ferrand, Zener Model Description of Ferromagnetism in Zinc Blende Magnetic Semiconductors, Science, 2000, 287: 1019～1022.）。人们发现当少量的过渡族金属离子如Fe ,Co ,Mn ,Ni 等掺入ZnO 晶体中时可以制备出磁性的半导体材料。

目前，关于Mn掺杂的ZnO纳米晶体的结构和磁性特性得到了广泛研究，并取得了一定的成效。如人们已利用离子注入法 (参见文献Ronning C, Gao PX , Ding Y, et al. Manganese-doped ZnO nanobelts for spint ronics,Appl. Phys. Let t.2004,84:783)、溶胶凝结法(参见文献Radovanovic PV， Gamelin DR. High-Temperature Ferromagnetism in Ni-doped ZnO Aggregates, Prepared f rom Colloidal DMS Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 2003,91:157202]、以及气相生长法[参见文献Roy VAL,Djuri AB,Liu H, et al.Magnetic Properties of Mn doped ZnO Tet rapod St ructures,Appl.Phys.Lett. 2004,84:756] 等研究了过渡性金属Mn、Ni原子掺入ZnO纳米晶体的磁学特性。在这些研究中，基本研究了Mn、Ni掺杂的ZnO纳米晶体、薄膜的稀磁特性，而对于过渡性金属钆（Gd）掺杂的ZnO纳米线的研究在国内未见相关的报道。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种超长且分布均匀，在室温下具有很强的饱和磁化强度，矫顽力强，呈现出明显的铁磁性特征的磁性ZnO纳米线及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种磁性氧化锌纳米线的制备方法，包括如下步骤：

1、将n-(111)衬底Si片用稀HF酸浸泡，去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙酮、乙醇、去离子水超声波清洗，去除硅片上的有机物，用氮气吹干后,　放入石英管, 将石英管真空抽至10^-2 Pa, 加热到300℃维持10分钟，以去除Si片表面的水汽；

 2、将石英管加热到500～600℃，在分析纯级醋酸锌溶液中以1:20的质量比加入分析纯级硝酸钆溶液，用Ａr气作为携载气体，携载醋酸锌和硝酸钆气相分子进入石英管中，分解后将ZnO和Gd 原子在n-Si (111)片进行吸附、成核和生长；

3、将石英管升温到700～900℃进行退火处理，退火时间为20～40分钟，得到一种稀土元素Gd掺杂的磁性氧化锌纳米线薄膜。

本发明技术方案还包括按上述制备方法得到的磁性氧化锌纳米线，它的平均直径为40～60nm、平均长度为2～4μm。室温下，剩余饱和磁化强度为5×10^?3 emu/g，矫顽力为222 Oe，平均每个Gd原子的磁矩为3241μ_B。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明提供的气相法生长成核密度低，使ZnO纳米线在生长过程线与线间不发生交叠或缠绕，进而得到单分散、均匀分布的超长纳米线结构。