[发明专利]一种β-FeSi2纳米六面体颗粒壳聚糖复合材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种β‑FeSi₂纳米六面体颗粒壳聚糖复合材料制备方法，将无水氯化亚铁和硅片在800±10℃条件下反应，合成β‑FeSi₂纳米六面体颗粒；配置质量比0.2±0.03％的羧化壳聚糖水溶液；用移液枪吸取羧化壳聚糖水溶液滴涂在立方体颗粒薄膜表面；将滴涂后的薄膜放置在真空干燥箱中，室温下干燥20min，形成结合紧密的复合薄膜，即β‑FeSi₂纳米六面体颗粒壳聚糖复合材料。复合材料具有增强的室温铁磁性，在磁性传感、半导体自旋电子学、生物医疗等应用方面都极具潜力。

技术领域

本发明涉及一种具有增强的室温铁磁性的的β-FeSi₂纳米六面体颗粒壳聚糖复合材料的制备方法，属于磁性半导体领域。

背景技术

随着科技的不断发展，半导体和磁性材料得到了广泛应用。半导体器件能够快速地处理信息，而磁性材料通过磁化方向的保持可以在无能耗的条件下存储信息。如果材料能够集半导体特性和磁性于一身，就可以改变现有半导体集成电路加工处理信息、磁性材料磁盘存储信息的模式。用磁性半导体做成的计算机核心部件，在处理数据的同时，可以进行数据的非易失性存储，即使突然断电，数据也不会丢失。

伴随半导体产业的发展，超大规模集成电路芯片上的元器件数按照摩尔定律不断增加，沟道长度从原来的微米量级发展到纳米量级，会带来漏电流增加、发热量增大和寄生电容效应等问题，另外，随着量子干涉效应的出现，器件的性能和可靠性会受到严重影响。众所周知电子带负电，电荷是电子的一个自由度；此外电子具有磁性，自旋是电子的另一个自由度。普通半导体中电子的自旋调控起来极其困难，而磁性半导体中磁性原子的自旋只需加上一个电流或者加上磁场就可实现调控。此外自旋之间的相互作用能比电荷之间的相互作用能要小1000倍，改变自旋更加容易。利用磁性半导体有望研发出数据处理速度快，耗电量低，集成度高且信息存储“非易失”的新功能半导体自旋器件。

然而，现有的磁性半导体居里温度低于室温，Ⅲ-Ⅴ族稀磁半导体虽然实现了低温原型器件功能，但最高居里温度也仅为200K，无法满足实际应用。因此，具有本征铁磁性的磁性半导体的探索发现将对现有的信息产业结构模式带来革命性的影响。我们课题组在该科学问题上也进行了不懈探索，合成了具有室温铁磁性的β-FeSi₂纳米立方体 (Z.Q.He etal.,J.Am.Chem.Soc.2015,137,11419–11424.)。这种材料在自旋电子学、信息存储和生物医学(H.Lee et al.,J.Am.Chem.Soc.2007,129, 12739–12745；Y.Zhang et al.,Adv.Mater.2016,28,1387–1393.)等方面具有潜在应用。如果能够进一步增强材料磁性，将进一步扩展材料用途。我们β-FeSi₂纳米颗粒的磁性来源于表面，表面铁原子层附近的局域磁矩与表面态巡游电子的相互作用可以引起强的室温铁磁性。如果能够继续增加费米能级附近的自旋态密度，将有利于磁性的进一步增加。有研究表明，将Fe₃O₄纳米材料用石墨烯包裹后，复合结构的铁磁性增强了大约100emu/g(D.Seifuet al.,Appl.Phys.Lett.2015,106,212401-1–-5.)；有机分子包裹金属氧化物形成的复合结构可以诱导和增强室温下的铁磁性(M.A. Garcia et al.,Nano Lett.2007,7,1489–1494；J.H.Zhang et al.,Phys.Rev. B.2013,88,085437-1–-6.)。因此，同有机分子复合是增强磁性的一种有效方式。如果选择的有机分子具有好的生物相容性，则可进一步扩展β-FeSi₂纳米材料在生物分子探测、载药、靶向治疗等方面的应用。壳聚糖是天然的高分子材料，来源丰富、无毒且具有特殊的生理活性、较强的生物相容性和良好的可生物降解性，是包覆的上选材料。如果能够通过将β-FeSi₂纳米材料与壳聚糖复合来实现复合体系磁性的增强，这对材料应用的拓展将大有裨益。

发明内容