一種製備室溫鐵磁性Zn的製作方法

2023-05-25 01:35:01 1

專利名稱：一種製備室溫鐵磁性Zn的製作方法
技術領域：
本發明屬於稀磁半導體納米材料製備領域，特別是提供了一種氣相沉積製備室溫鐵磁性Zn1-xMnxO稀磁半導體納米線的方法。
背景技術：
固體中的電子既是電荷的載體，又是自旋的載體。自旋電子材料提供了同時利用電子的電荷和自旋兩種特性的可能，那麼利用自旋電子材料將會實現數據存儲量和處理速度的大幅提升。稀磁半導體(Diluted Magnetic Semiconductor，DMS)將磁性離子引入半導體材料，成功實現了磁性材料和半導體材料的結合，是製備自旋電子器件的理想材料之一。但是，DMS能否在室溫下依舊保持鐵磁性是決定它是否具有實用性的關鍵因素。寬禁帶氧化物半導體氧化鋅(ZnO)基DMS有望成為現代光電子器件發展要求的優異材料。ZnO具有從藍光到紫外光波段優良的光學性能，理論又預測出p型ZnO中Mn的摻雜含量達到5％時即可具有高於室溫的居裡溫度，使得ZnO基DMS的研究掀起了前所未有的高潮。但是，目前獲得高質量室溫鐵磁性的Zn1-xMnxO納米結構在技術上仍然比較困難。Zheng等人在Mn蒸氣熱處理條件下實現了ZnO納米結構的磁性摻雜，但是在表面出現了夾雜相[R.K.Zheng，H.Liu，X.X.Zhang，V.A.L.Roy，A.B. Exchange bias and the origin of magnetism inMn-doped ZnO tetrapods，Appl.Phys.Lett.，85(2004)2589～2591]；Liu等人採用氣相沉積方法製備出Zn1-xMnxO納米陣列，但是Mn的摻雜含量偏低，只有約1.7％[J.J.Liu，M.H.Yu，W.L.Zhou，Well-aligned Mn-doped ZnO nanowires synthesized by a chemicalvapor deposition method，Appl.Phys.Lett.，87(2005)172505-1～3]。Philipose等人製備出室溫鐵磁性的Zn1-xMnxO納米線，但是他們的製備方法引入了金雜質元素，而且表面缺陷態比較高[U.Philipose，Selvakumar V.Nair，Simon Trudel，C.F.de Souza，S.Aouba，Ross H.Hill，Harry E.Ruda，High-temperature ferromagnetism in Mn-doped ZnOnanowires，Appl.Phys.Lett.88(2006)263101～3]。因而有必要尋求一種合適的方法獲得高純度的Zn1-xMnxO納米線，而且納米線具有室溫鐵磁性，從而為自旋電子器件的實用化提供材料基礎。

發明內容
本發明的目的在於提供一種室溫鐵磁性Zn1-xMnxO稀磁半導體納米線的製備方法。解決了在半導體ZnO納米線中合理摻入磁性元素Mn的問題。製備的Zn1-xMnxO納米線具有很強的鐵磁性，居裡溫度高於室溫。
本發明採用蒸氣壓高且易分解的MnCl2粉末作為磁性元素Mn的來源，在ZnO納米線製備過程中進行原位摻雜，Mn摻雜後以置換Zn位置的方式形成固溶體，並且獲得的Zn1-xMnxO納米線具有室溫鐵磁性。
本發明的Zn1-xMnxO納米線採用氣相沉積的方法製備，獲得的產物為Zn1-xMnxO單相固溶體物質。具體製備工藝如下1、將矽片採用鹽酸清洗後用去離子水衝洗乾淨，然後再用丙酮清洗，最後用去離子水衝洗乾淨。
2、將Zn粉和MnCl2粉末作為蒸發源，相鄰放置在石英舟中，矽片作為接收襯底，垂直放在兩種蒸發源的交界處，矽片與蒸發源的垂直距離為6～8mm。
3、將石英舟放入管式爐中，系統入口處可以通入氣體，氣體在出口處用橡膠管導入水中。系統通入300～400毫升/分鐘的氬氣，5～8min後將氬氣流量改為30～50毫升/分鐘。將管式爐加熱到800～830℃，系統壓強維持在大氣壓狀態，保溫120～150min後自然冷卻至室溫，可得到大面積分布均勻的Zn1-xMnxO納米線。
本發明所述的Mn含量的取值範圍為1.5～23原子％。Zn1-xMnxO納米線的直徑為30～150nm，長度為5～22μm。
本發明的優點採用氣相沉積的方法在ZnO納米線中實現磁性元素Mn的原位摻雜，其摻雜含量可控。而且摻雜後母體中並不產生夾雜相，可實現大面積製備。
磁性元素的摻雜含量可通過調整合成溫度、組元化學配比和載氣流量來控制，而且可以通過調整磁性元素Mn的摻雜含量來調控納米線的磁性和居裡溫度。納米線的直徑亦可通過調整合成溫度和氣體流量進行有效地控制。
本發明製備溫度低；製備方法要求的設備簡單(管式爐)，原料廉價，工藝簡單易行，成本很低，反應條件可控，對環境無汙染；產品純度高，產量大。
Zn1-xMnxO納米線獨特的一維輸運和磁光特性，使得它在未來的納米自旋電子器件中具有重要的作用。
獲得的Zn1-xMnxO納米線為單晶，結晶質量非常高，而且具有室溫鐵磁性。本發明在自旋場效應電晶體、自旋發光二極體、自旋共振隧道器件、自旋濾波器等自旋電子器件中具有潛在的商業應用前景。


圖1 Zn1-xMnxO納米線的XRD譜。
圖2 Zn1-xMnxO納米線的掃描電鏡照片，表明產物由納米線組成。
圖3 Zn1-xMnxO納米線的高分辨透射電鏡照片，晶格像十分清晰，表明納米線為單晶，沒有觀察到雜質相。
圖4 室溫條件下Zn1-xMnxO的M-H曲線，表明產物在室溫下具有鐵磁性。
具體實施例方式
實施例1將矽片採用鹽酸清洗後用去離子水衝洗乾淨，然後再用丙酮清洗，最後用去離子水衝洗乾淨。將Zn粉和MnCl2粉末相鄰放置在石英舟的中間部位，矽片覆蓋在兩種蒸發源的交界處，與蒸發源的垂直距離為7mm。將石英舟放入管式爐中，系統入口處可以通入氣體，氣體在出口處用橡膠管導入水中。系統通入300毫升/分鐘的氬氣，8min後將氬氣流量改為30毫升/分鐘。將管式爐加熱到810℃，系統壓強維持在大氣壓狀態，保溫120min後自然冷卻至室溫，可得到Zn1-xMnxO(x＝10％)納米線。納米線的直徑為30～100nm，長度為7～18μm。
採用X射線衍射儀分析產物的結構，其衍射圖譜如圖1所示，表明產物為ZnO纖維鋅礦結構。沒有觀察到其他的雜質如Mn或其氧化物的衍射峰，表明磁性元素Mn固溶入ZnO晶格結構中，並沒有形成第二相。採用掃描電鏡觀察產物的表面形貌，結果如圖2所示，矽片表面覆蓋了一層納米線，說明這種製備方法可以獲得大面積均勻分布的產物。採用高分辨的透射電鏡進一步對產物的微結構進行分析，發現納米線為單晶，結晶質量非常高(圖3)。磁性測量表明，納米線具有室溫鐵磁性，其居裡溫度高於室溫。附圖4為Zn1-xMnxO(x＝10％)在室溫下的M-H曲線，它表明樣品在室溫下仍具有明顯的磁滯回線，矯頑力達153Oe，說明樣品在室溫下仍為鐵磁態。
實施例2將矽片採用鹽酸清洗後用去離子水衝洗乾淨，然後再用丙酮清洗，最後用去離子水衝洗乾淨。將Zn粉和MnCl2粉末相鄰放置在石英舟的中間部位，矽片覆蓋在兩種蒸發源的交界處，與蒸發源的垂直距離為7mm。將石英舟放入管式爐中，系統入口處可以通入氣體，氣體在出口處用橡膠管導入水中。系統通入400毫升/分鐘的氬氣，5min後將氬氣流量改為50毫升/分鐘。將管式爐加熱到830℃，系統壓強維持在大氣壓狀態，保溫150min後自然冷卻至室溫，可得到Zn1-xMnxO(x＝20％)納米線。納米線的直徑為60～150nm，長度為10～22μm。
實施例3將矽片採用鹽酸清洗後用去離子水衝洗乾淨，然後再用丙酮清洗，最後用去離子水衝洗乾淨。將Zn粉和MnCl2粉末相鄰放置在石英舟的中間部位，矽片覆蓋在兩種蒸發源的交界處，與蒸發源的垂直距離為8mm。將石英舟放入管式爐中，系統入口處可以通入氣體，氣體在出口處用橡膠管導入水中。系統通入340毫升/分鐘的氬氣，7min後將氬氣流量改為40毫升/分鐘。將管式爐加熱到805℃，系統壓強維持在大氣壓狀態，保溫140min後自然冷卻至室溫，可得到Zn1-xMnxO(x＝3.5％)納米線。納米線的直徑為30～80nm，長度為5～14μm。
權利要求
1.一種製備室溫鐵磁性Zn1-xMnxO納米線的方法，其特徵在於工藝為a、將矽片採用鹽酸清洗後用去離子水衝洗乾淨，然後再用丙酮清洗，最後用去離子水衝洗乾淨；b、將Zn粉和MnCl2粉末作為蒸發源，相鄰放置在石英舟中，矽片作為接收襯底，垂直放在兩種蒸發源的交界處，矽片與蒸發源的垂直距離為6～8mm；c、將石英舟放入管式爐中，系統入口處通入氣體，氣體在出口處用橡膠管導入水中；系統通入300～400毫升/分鐘的氬氣，5～8min後將氬氣流量改為30～50毫升/分鐘；將管式爐加熱到800～830℃，系統壓強維持在大氣壓狀態，保溫120～150min後自然冷卻至室溫，得到大面積分布均勻的Zn1-xMnxO納米線；Mn含量的取值範圍為1.5～23原子％，Zn1-xMnxO納米線的直徑為30～150nm，長度為5～22μm。
全文摘要
一種製備室溫鐵磁性Zn
文檔編號C30B29/00GK1908250SQ20061008891
公開日2007年2月7日 申請日期2006年7月26日 優先權日2006年7月26日
發明者常永勤 申請人:北京科技大學