本发明专利技术公开了一种ZnO基稀磁半导体薄膜及其制备方法。方法一以分析纯的金属硝酸盐为原材料，通过水溶液共沉淀法得到掺杂的ZnO粉体，然后采用固相法烧结得到陶瓷靶材，再通过脉冲激光沉积法(PLD)制备成掺杂的稀磁半导体ZnO薄膜，或者同样以分析纯的金属硝酸盐为原材料，通过溶胶凝胶法，经过配制溶胶——甩胶——热处理的工艺流程，制备成掺杂的ZnO基稀磁半导体薄膜。如此制备的ZnO基薄膜的禁带宽度可以由Mg和Cd的掺杂进行调控，进而调控其铁磁性。掺Co或Mn的ZnO基稀磁薄膜中共掺入Cd可以使带隙减小，薄膜的室温饱和磁化强度增大，而共掺Mg可以使带隙增大，薄膜室温饱和磁化强度减小。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料科学领域，特别是涉及一种。
技术介绍
现代信息工业中，半导体材料中通常利用电子的电荷这一自由度工作，而电子还有一个自由度就是自旋。电子在半导体中定向运动，其自旋也携带了大量的信息。如果能够在半导体材料中获得自旋极化度较高的电流，则半导体的电学性能可以受到磁场的调控。以此为基础，可以设计出许多新型多功能的自旋电子学器件，并开发新的电子信号处理方式，大大提高电子信息的处理效率。半导体自旋电子学就是研究如何利用半导体中电子自旋这一自由度的科学，而其基础就在于如何获得自旋极化的电流。在半导体中掺入少量的磁性离子，使磁性离子随机取代晶格中的阳离子而形成稀磁半导体(Diluted MagneticSemiconductors,简称DMSs),可以使磁性离子的磁矩影响半导体电流的自旋极化，达到自旋极化电流注入的效果。因为稀磁半导体可以采用研究比较成熟的材料体系掺入磁性离子的方法得到，更容易投入实际应用，所以稀磁半导体成为了半导体自旋电子学的一个重要研究对象。在稀磁半导体中磁性离子的局域磁矩和载流子与缺陷之间存在很强的自旋交换作用，这种交换作用会使半导体材料的电学、光学参数受外磁场变化的影响而相应地变化，可以通过改变外磁场而改变稀磁半导体的物理性质。稀磁半导体材料具有许多的特殊的物理性质，例如巨磁光效应，巨负磁阻效应，磁场感应的绝缘体-金属转变等等。ZnO几乎是近年来研究最多，性能最为丰富的半导体材料。它室温结构为纤锌矿结构，是直接带隙半导体，具有很好的化学稳定性和热稳定性。ZnO不仅被应用于半导体领域，它在声学，光学等领域的应用也被广泛研究，如应用在紫外光发射器，声表面波器件，透明高功率电子器 件，压电传感器和太阳能电池的窗口材料等等。ZnO基稀磁半导体的研究近年来也成为了热点，因为过渡金属掺杂的ZnO是少有的能显示室温铁磁性的稀磁半导体。由于更便于进行器件设计和纳米尺度研究，人们常常研究ZnO稀磁半导体薄膜。所采用的薄膜的制备方法主要包括溶胶凝胶法、磁控溅射法、脉冲激光沉积(PLD)法、分子束外延(MBE)法等。不同的实验小组还尝试改变各种掺杂和制备条件来调控其室温铁磁性，t匕如改变磁性离子的种类，磁性离子的浓度，基片的种类，生长薄膜的氧分压，等等。禁带宽度(简称带隙)是半导体材料的一个重要参数，其定义是半导体导带底部到价带顶部的能量差。不同的半导体带隙有很大差异，比如硅的禁带宽度为1.12eV，Zn0的带隙为3.37eV等。能带工程(Bandgap Engineering)是指通过在半导体中掺入不同的组分，改变半导体的带隙，从而改变半导体的光电性质。以ZnO为例，ZnO作为一种性能优异的宽带隙半导体，在紫外发光器件方面具有很大的应用前景，所以，寻找调控其带隙的手段变得十分重要。许多研究都报道了掺杂不同的组分对ZnO带隙的调控作用。如Makino等人就找到了对ZnO体系进行带隙调控的方法:掺入Mg使ZnO的带隙变宽，掺入Cd使ZnO带隙变窄[Makino T, Segawa Y.Band gap engineering based on MgxZn1^O and CdyZn1^Oternary alloy films.Applied Physics Letters, 2001, 78:1237_1239.]。但是至今还没有报道有研究通过调节带隙调控ZnO基稀磁半导体的物理性质。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种ZnO基稀磁半导体薄膜，其组成为Znci 9Mci ci5Rci ci5O或7n M 0.z^110.95iVi0.05w ,其中，M代表稀磁半导体中掺入的过渡金属兀素,为Co或Mn, R代表用于调控ZnO带隙的元素，为Mg或Cd。所述ZnO基稀磁半导体薄膜为(002)取向的纤锌矿结构；薄膜的厚度为40nm_50nmo上述ZnO基稀磁半导体薄膜也可为按照下述方法制备而得的产物。本专利技术提供的制备所述ZnO基稀磁半导体薄膜的方法，包括如下步骤:I)用氨水将NH4HCO3水溶液的pH值调节至7.6-9.5后得到沉淀剂； 2)将锌盐的水溶液、M(NO3)2的水溶液和R(NO3)2的水溶液按照其中Zn2+、M2+和R2+的摩尔比0.9: 0.05: 0.05的比例，与步骤I)所得沉淀剂进行共沉淀反应，反应完毕收集所得沉淀，烘干得到前驱粉体I ;或者，将锌盐的水溶液和M(NO3)2的水溶液按照其中Zn2+与M2+的摩尔比0.95: 0.05的比例，与步骤I)所得沉淀剂进行共沉淀反应，反应完毕收集所得沉淀，烘干得到前驱粉体II ；所述M (NO3) 2和R (NO3) 2中，M和R的定义与前述相同；3)将步骤2)所得前驱粉体I或II煅烧后依次进行造粒、压片和烧结，分别得到陶瓷靶材I或II ；4)以步骤3)所得陶瓷靶材I或II为靶材，在Si (100)基片或Si (100)/Pt(Ill)基片上用脉冲激光沉积法沉积薄膜，分别得到组成为Zna9Matl5Ratl5O的所述ZnO基稀磁半导体薄膜和组成为Zna95Matl5O的所述ZnO基稀磁半导体薄膜。上述方法的所述步骤I)中，氨水的质量百分浓度为25-28%，具体为28% ；所述NH4HCO3的摩尔用量与步骤2)中金属离子的摩尔总用量的比值为2.3-2.6: 1，具体为 2.4:1 ；所述步骤2)中，所述锌盐具体为Zn (NO3) 2.6H20 ；所述锌盐的水溶液、M(NO3)2的水溶液和R(NO3)2的水溶液的浓度均为0.5-lmol/L ；所述共沉淀反应步骤中，加热方式均为水浴加热，温度均为40-60 °C，具体为50°C，时间均为0.5-1小时，具体为I小时；所述步骤3)煅烧步骤中，温度均为300-400°C，具体为400°C，时间均为1_1.5小时，具体为I小时； 烧结步骤中，温度均为1000-1300°C，具体为1300°C，时间均为3_4小时，具体为4小时；由室温升至烧结温度的速度均为3-5°C /min，具体为3°C /min ；所述步骤4)沉积步骤中，激光脉冲能量320_350mJ，具体为335mJ，温度为500-600°C，具体为 520°C。本专利技术提供的制备所述M为Co的ZnO基稀磁半导体薄膜的方法，包括如下步骤:I)将锌盐、(:0(勵3)2和1 (勵3)2按照其中 Zn2+、M2+和R2+的摩尔比0.9: 0.05: 0.05的比例，与络合剂混合溶解于溶剂乙二醇独甲醚中得到溶胶I ;将锌盐和Co (NO3) 2按照其中Zn2+与M2+的摩尔比0.95: 0.05的比例，与络合剂溶解于溶剂乙二醇独甲醚中得到溶胶II ；所述R (NO3) 2中，R的定义与前述相同；2)将步骤I)所得溶胶I或II在Si (100)/Pt(Ill)基片上旋涂薄膜，烘干后进行退火，分别得到组成为Zna9Coatl5Ratl5O的所述ZnO基稀磁半导体薄膜和组成为Zna95Coatl5O的所述ZnO基稀磁半导体薄膜。上述方法的所述步骤I)中，溶剂为乙二醇独甲醚；络合剂为柠檬酸；所述锌盐为 Zn (NO3) 2.6H20 ； 所述络合剂与步骤I)中金属离子的摩尔总用量的比值为1-1.5: 1，具体为I: I」所述步骤2)中，旋涂步骤中，转速为3000-本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种ZnO基稀磁半导体薄膜，其组成为Zn0.9M0.05R0.05O或Zn0.95M0.05O；其中，M为Co或Mn，R为Mg或Cd。
【技术特征摘要】
1.一种ZnO基稀磁半导体薄膜，其组成为Zn0.9M0.Q5R0.05O或Zna95Ma05O ； 其中，M为Co或Mn，R为Mg或Cd。2.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于:所述ZnO基稀磁半导体薄膜为(002)取向的纤锌矿结构；薄膜的厚度为40-50nm。3.根据权利要求1或2所述的薄膜，其特征在于:所述薄膜为按照权利要求4-9任一所述方法制备而得的产物。4.一种制备权利要求1-3任一所述ZnO基稀磁半导体薄膜的方法，包括如下步骤: 1)用氨水将NH4HCO3水溶液的pH值调节至7.6-9.5后得到沉淀剂； 2)将锌盐的水溶液、M(NO3)2的水溶液和R(NO3)2的水溶液按照其中Zn2+、M2+和R2+的摩尔比0.9: 0.05: 0.05的比例，与步骤I)所得沉淀剂进行共沉淀反应，反应完毕收集所得沉淀，烘干得到前驱粉体I ; 或者，将锌盐的水溶液和M(NO3)2的水溶液按照其中Zn2+与M2+的摩尔比0.95: 0.05的比例，与步骤I)所得沉淀剂进行共沉淀反应，反应完毕收集所得沉淀，烘干得到前驱粉体II ； 所述M (NO3) 2和R (NO3) 2中，M和R的定义与权利要求1相同； 3)将步骤2)所得前驱粉体I或II煅烧后依次进行造粒、压片和烧结，分别得到陶瓷靶材I或II ;4)以步骤3)所得陶瓷靶材I或II为靶材，在Si(100)基片或Si (100)/Pt (111)基片上用脉冲激光沉积法沉积薄膜，分别得到组成为Zna9Matl5Ratl5O的所述ZnO基稀磁半导体薄膜和组成为Zna95Matl5O的所述ZnO基稀磁半导体薄膜。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于:所述步骤I)中，氨水的质量百分浓度为25-28%，具体为28% ;或， 所述NH4HCO3的摩尔用量与步骤2)中金属离子的摩尔总用量的比值为2.3-2.6: 1，具体为2.4:1 ;或， 所述步骤2)中，所述锌盐具体为Zn(NO3)2.6H20 ;或， 所述锌盐的水溶液、M(NO3)2的水溶液和R(NO3)2的水溶液的浓度均为0.5-lmol/L ;或， 所述共沉淀反应步骤中，加热方式均为水浴加热，温度均为40-60°C，具体为50°C，时间均为0.5-1小时,具体为I小时；或， 所述步骤3)煅烧步骤中，温度均为300-400°C，具体为400°C，时间均为1-1.5小时，具体为I小时；或， 烧结步骤中，温度均为1000-1300°C，具体为1300°C，时间均为3-4小时，具体为4小时；由室温升至烧结温度的速度均为3-5°C /min，具体为3°C /min ;或， 所述步骤4)沉积步骤中，激光脉冲能量320-350mJ，具体为335mJ，温度为500-600°C，具体为520°C。6.一种制备权利要求1-3任一所述M为Co的ZnO基稀磁半导体薄膜的方法,包括如下步骤: I)将锌盐、Co (NO3) JPR(NO3)2按照其中 Zn2+、M2+和 R2+的摩尔比 0.9: 0.05: 0.05的比例，与络合剂混合溶...
【专利技术属性】
技术研发人员：林元华，张玉骏，罗屹东，南策文，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：
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