具有巨磁阻效应的稀磁半导体材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及具有巨磁阻效应的稀磁半导体材料及其制备方法，以及利用该稀磁半导体材料制成的半导体电子器件和包括该半导体电子器件的电子设备。根据一实施例，提供一种具有巨磁阻效应的稀磁半导体材料，其化学式为Na1+x(Zn1‑yMny)Sb，其中x、y为原子百分比，且0≤x≤0.2，0.05≤y≤0.5。

【技术实现步骤摘要】
具有巨磁阻效应的稀磁半导体材料及其制备方法
本专利技术总体上涉及磁学领域，更特别地，涉及一种具有巨磁阻效应的稀磁半导体材料及其制备方法。
技术介绍
稀磁半导体材料由于在自旋电子器件领域的潜在应用，而获得广泛关注。稀磁半导体一般是通过在半导体中引入少量的磁性离子而得到。典型的是基于III-V族的半导体，例如由Mn2+替代Ga3+的(Ga,Mn)As和(Ga,Mn)N。由于不等价替代，导致很有限的化学溶解度，并且载流子和自旋不能分别进行调控(可参见文献H.Ohno,etal.,Science281,951-956(1998))，使得居里温度一直无法得到有效提高，因此无法投入实用。最近，基于II-II-V族半导体BaZn2As2的稀磁半导体(Ba,K)(Zn,Mn)2As2被成功制备(可参见文献K.Zhaoetal.,NatureCommunications4:1442(2013)DOI:10.1038/ncomms2447)。在这个体系中，载流子可通过元素K的掺杂来控制，自旋可通过Mn2+替代Zn2+的量来调控，从而实现了电荷和自旋的掺杂机制分离。其230K的铁磁转变温度要高于(Ga,Mn)As中大约200K的铁磁转变温度。因此(Ba,K)(Zn,Mn)2As2被世界著名的电子电气工程师协会磁学委员会誉为稀磁半导体发展的里程碑式材料(可参见文献IEEETransactionsonMagnetics,RoadmapforEmergingMaterialsforSpintronicDeviceApplications,51,1(2016))。巨磁阻效应自从被发现以来就被开发研制，用之研发的硬磁盘拥有体积小而灵敏的数据读出头。这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减小，从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。然而，常规的巨磁阻效应都是从铁磁材料获得的，铁磁材料具有自发磁化，其磁矩可能对周围的电路元件有所影响。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个方面在于提供一种具有巨磁阻效应的稀磁半导体材料，其化学式为Na1+x(Zn1-yMny)Sb，其中x、y表示原子含量百分比，且0≤x≤0.2，0.05≤y≤0.5。该材料的晶体结构为四方晶系，空间群为P4/nmm，晶格参数变化范围为该材料也是一种自旋与电荷掺杂机制分离的稀磁半导体，通过电荷与自旋分别注入实现了对此稀磁半导体材料磁阻的调控，所有样品在2T外场以及2K的条件下，负磁阻达到了90％以上。此外，该材料的一个优势在于，在低温下进入自旋玻璃态，而自旋玻璃态材料不会产生自发极化，因此其磁矩不会影响周围的电子元件，具有更好的兼容性。因此，Na(Zn,Mn)Sb材料将是一种具有极大应用潜力的巨磁阻效应稀磁半导体材料。本专利技术的另一方面还提供一种制备上述稀磁半导体材料的方法，包括：制备前驱体材料，所述前驱体材料是包括Na、Zn、Mn和Sb四种元素的混合物，所述四种元素的原子比为Na:Zn:Mn:Sb＝(1+x):(1-y):y:1；在惰性气氛下对所述前驱体材料进行热处理。所述前驱体可包括Na3Sb、Zn、Mn和Sb的混合物。在进行热处理之前，所述方法还可包括：将所述前驱体研磨成粉末以使各种元素均匀混合；以及将所述粉末压制成块材。所述热处理可以被执行两次或更多次，并且在相邻热处理之间，可以对所述前驱体材料执行所述研磨和压制步骤。所述热处理在常压或高压下进行，所述高压在1-20GPa的范围，常压热处理的加热温度为400-1000℃，加热时间为4-30小时，高压热处理的加热温度为500-1200℃，加热时间为0.5-6小时。在进行热处理之后，所述方法还可包括：以1～5℃/小时的速度进行降温。本专利技术的又一方面还提供一种半导体电子器件，其包括由上述稀磁半导体材料制成的半导体层。本专利技术的再一方面还提供一种电子设备，其包括半导体电子器件，所述半导体电子器件包括由上述稀磁半导体材料制成的半导体层。本专利技术的上述和其他优点和特征将通过下面结合附图对示例性实施例的描述而变得显而易见。附图说明下面，将结合附图来详细说明本专利技术的一些示例性实施例，附图中：图1为根据实施例1提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.1(Zn0.85Mn0.15)Sb的X射线衍射图谱；图2为根据实施例1提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.1(Zn0.85Mn0.15)Sb的电阻率与磁场的关系曲线；图3为根据实施例1提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.1(Zn0.85Mn0.15)Sb在不同频率下交流磁化率实部、虚部与温度的关系曲线；图4为根据实施例2提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.1(Zn0.75Mn0.25)Sb的X射线衍射图谱；图5为根据实施例2提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.1(Zn0.75Mn0.25)Sb的电阻率与磁场的关系曲线；图6为根据实施例2提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.1(Zn0.75Mn0.25)Sb在不同频率下交流磁化率实部、虚部与温度的关系曲线；图7为根据实施例3提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.075(Zn0.85Mn0.15)Sb的X射线衍射图谱；图8为根据实施例3提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.075(Zn0.85Mn0.15)Sb的电阻率与磁场的关系曲线；图9为根据实施例3提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.075(Zn0.85Mn0.15)Sb在不同频率下交流磁化率实部、虚部与温度的关系曲线；图10为根据实施例4提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.15(Zn0.85Mn0.15)Sb的X射线衍射图谱；图11为根据实施例4提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.15(Zn0.85Mn0.15)Sb的电阻率与磁场的关系曲线；图12为根据实施例4提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.15(Zn0.85Mn0.15)Sb在不同频率下交流磁化率实部、虚部与温度的关系曲线；图13为根据实施例5提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.05(Zn0.65Mn0.35)Sb的X射线衍射图谱；图14为根据实施例5提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.05(Zn0.65Mn0.35)Sb的电阻率与磁场的关系曲线；图15为根据实施例5提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.05(Zn0.65Mn0.35)Sb在不同频率下交流磁化率实部、虚部与温度的关系曲线；图16为根据实施例6提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.2(Zn0.55Mn0.45)Sb的X射线衍射图谱；图17为根据实施例6提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.2(Zn0.55Mn0.45)Sb的电阻率与磁场的关系曲线；以及图18为根据实施例6提供的方法所制备的稀磁半导体材料Na1.2(Zn0.55Mn0.45)Sb在不同频率下交流磁化率实部、虚部与温度的关系曲线。具体实施方式本专利技术提供一种具有巨磁阻效应的稀磁半导体材料，其化学式为Na1+x(Zn1-yMny)Sb，其中x、y表示原子含量百分比，并且0≤x≤0.2，0.05≤y≤0.5。该材料的晶体结构为四方晶系，空间群为P4/nmm，晶格参数变化范围为该材料也是一种自旋与电荷掺杂机制分离的稀磁半导体，通过电荷与自旋分别注入实现了对此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有巨磁阻效应的稀磁半导体材料，其化学式为Na1+x(Zn1‑yMny)Sb，其中x、y为原子百分比，且0≤x≤0.2，0.05≤y≤0.5。

【技术特征摘要】
1.一种具有巨磁阻效应的稀磁半导体材料，其化学式为Na1+x(Zn1-yMny)Sb，其中x、y为原子百分比，且0≤x≤0.2，0.05≤y≤0.5。2.根据权利要求1所述的稀磁半导体材料，其中，所述稀磁半导体材料属于空间群为P4/nmm的四方晶系。3.根据权利要求2所述的稀磁半导体材料，其中，所述稀磁半导体材料的晶格参数变化范围为4.一种制备权利要求1-3中的任一项所述的稀磁半导体材料的方法，包括：制备前驱体材料，所述前驱体材料是包括Na、Zn、Mn和Sb四种元素的混合物，所述四种元素的原子比为Na:Zn:Mn:Sb＝(1+x):(1-y):y:1；以及对所述前驱体材料进行热处理。5.如权利要求4所述的方法，其中，所述前驱体材料包括Na3Sb、Zn、Mn和Sb的混合物。6.如权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳常青，于爽，邓正，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11