一种Fe掺杂ZnO室温稀磁半导体材料的制备方法

专利名称：一种Fe掺杂ZnO室温稀磁半导体材料的制备方法
技术领域：
本发明属于新型半导体自旋电子学材料领域，具体涉及一种过渡金属 掺杂氧化锌室温稀磁半导体材料的制备方法。 技术背景上个世纪，以电子电荷的运用为基础的半导体工业在人类历史上掀起 了第三次技术革命，极大地推动了社会的进步。电子的另外一个自由度， 即自旋，在过去完全被忽略了。如今，传统器件的运行速度和存储密度己 经越来越接近其理论极限，人们正致力于探索新的信息处理机制。开发同 时利用电子的电荷和自旋属性的自旋电子器件已开始成为该领域的研究热 点。稀磁半导体作为一种新型半导体材料，它将自旋和电荷两个自由度集 于同一基体，同时具备优异的磁、磁光和磁电性能，可用于研制新一代的 自旋电子和纳米电子器件，拓展微电子领域的发展空间，为微电子器件的 微型化和多功能化提供了解决方案，在自旋电子学以及光电子领域已经展 现出非常广阔的应用前景，比如自旋阀、自旋二极管、稳定的存储器、逻 辑器件和高速的光开关等等。从应用的角度看，制备居里温度高于室温的稀磁半导体材料是非常必要的。基于n-vi族以及m-v族化合物半导体的稀磁半导体研究比较广泛，如(Zn，Mn)Se和(Ga，Mn)As等，但是这些材料的居里温度多低于120K，限制 了它们的实际应用。自Ueda等首次在《A卯lied Physics Letters》(2001 年第79巻，P988-990)报道Co掺杂Zn0薄膜的室温铁磁性以来，陆续在过渡金属掺杂的氧化物半导体中发现了高于室温的铁磁性半导体，从而引起了人们对氧化物稀磁半导体广泛的研究兴趣。其中，对Fe掺杂ZnO的稀磁 半导体材料在国际上却鲜有报道，且己有的报道结果也不尽相同，其中仅 有Potzger等人在Fe掺杂Zn0的单晶样品中观察到室温铁磁性[《Applied Physics Letters》(2006年第88巻，P052508)]，而其它报道均未能在此 材料中获得室温铁磁性。 发明内容本发明针对现有技术中没有制备Fe掺杂Zn0室温稀磁半导体材料的方 法，提供了一种Fe掺杂ZnO室温稀磁半导体材料的制备方法，该方法可以 制备出具备室温铁磁性的Fe掺杂Zn0半导体材料。一种Fe掺杂Zn0室温稀磁半导体材料的制备方法，包括以下步骤A. 将分析纯的Zn(N0》2'6H20和Fe(N0》3*9H20粉末充分混和后，加入 去离子水使其完全溶解，形成Fe"和Zn"昆和溶液，其中Fe与Zn摩尔比为 0: 100 2:98;将N03—离子摩尔数与OH—离子摩尔数为1:1的分析纯NaOH粉 末，加入到去离子水，配制成NaOH溶液；B. 将配制好的NaOH溶液倒入F^+和Zr^+的混和溶液中，不断搅拌，同 时滴加氨水，控制溶液的PH值为8《PH值《9，使Fe3+和Zn2+完全沉淀，形 成Fe(0H)3和Zn(0H)2混合沉淀；将沉淀物过滤，分离，并用去离子水反复 洗涤，去掉沉淀物表面可能的残留离子；C. 将洗涤后的沉淀物置于100°C-150°C烘箱中烘干，并将其研磨；接 着在惰性气氛中进行预烧结，预烧温度为300°C-500°C，预烧结时间为6-10 小时；将得到的粉末再经过研磨，压片，在惰性气氛下烧结，烧结温度为500 °C -700 。C，烧结时间为12-24小时，即得到Fe掺杂ZnO室温稀磁半导 体材料。本发明的优点在于该方法工艺简单，易于操作，重复性好，便于推 广，并可用于其他过渡金属掺杂ZnO的稀磁半导体材料的制备；制备出的 Fe掺杂ZnO稀磁半导体材料具有室温铁磁性。


图1为样品S1， S2， S3和纯ZnO的XRD图谱；图2为600°C氩气氛下烧结的掺杂浓度^3%样品的XRD图谱；图3为600°C氩气气氛下烧结的Zn卜xFexO (x=0. 5%, 1%， 2%)材料室温下的(T300 K)磁滞回线行为。
具体实施方式
实施例1利用本发明制备0. 03mol室温稀磁半导体Zni-xFexO (x二O. 005)材料。 第一步，用电子天平称量分析纯的Zn(N03) 2*6H20粉末8. 92g和Fe (N03) 、'9H20 粉末0. 0606g，其中Fe3+的掺杂浓度为0. 1%，置于烧杯中，加入200ml去离 子水使其完全溶解，形成Fe"和Zn"混和溶液；按照N(V离子摩尔数 (0. 06042mol)与OH—离子摩尔数为1:1,称量2. 4168g分析纯的NaOH粉末， 加入100ml去离子水，配制成NaOH溶液。第二步，将配制好的NaOH溶液 倒入Fe3+和Zn2+的混和溶液中，不断搅拌，同时滴加氨水，控制溶液的PH二8， 使得Fe"和Z,完全沉淀，形成Fe(0H)3和Zn(0H)2混合沉淀；将沉淀物过 滤，用去离子水洗涤5遍，再将沉淀物分离出来。第三步，将混合沉淀物 置于烘箱中在100。C下将其烘干，并将其研磨；接着在40(TC氩气氛中预烧结8小时；最后将得到的再粉末研磨8小时，然后压片，在600X氩气氛中 烧结12小时，制得样品Sl。样品Sl为完全的纤锌矿结构，其XRD图谱如 图1所示。 实施例2利用本发明制备O.Olmol室温稀磁半导体Zni-xFexO (x二O.Ol)材料。第 一步，用电子天平称量分析纯的Zn(N03)2*6H20粉末2. 945g和Fe (N03) 3*9H20 粉末0.0404g，其中Fe3+的掺杂浓度为1%，置于烧杯中，加入200ml去离子 水使其完全溶解，形成Fe"和Zn"昆和溶液；按照N03—离子摩尔数(O. lOlmol) 与0H—离子摩尔数为1:1，称量0. 804g分析纯的Na0H粉末，加入100ml去 离子水，配制成Na0H溶液。第二步，将配制好的Na0H溶液倒入Fe"和Zn2+ 的混和溶液中，不断搅拌，同时滴加氨水，控制溶液的PH=8,使得F,和 Zn2+完全沉淀，形成Fe(0H)3和Zn(0H)2混合沉淀;将沉淀物过滤，用去离 子水洗涤5遍，再将沉淀物分离出来。第三步，将混合沉淀物置于烘箱中 在15(TC下将其烘干，并将其研磨；接着在500。C氩气氛中预烧结6小时； 最后将得到的再粉末研磨8小时，然后压片，在70(TC氩气氛中烧结12小 时，制得样品S2。样品S2为完全的纤锌矿结构，其XRD图谱如图1所示。 实施例3利用本发明制备0.05mo1室温稀磁半导体Zn卜xFex0 (x二0.02)材料。第 一步，用电子天平称量分析纯的Zn(N03)2，6H20粉末14.5765g和 Fe(N03)3'9H20粉末0. 404g，其中Fe3+的掺杂浓度为2%，置于烧杯中，加入 300ml去离子水使其完全溶解，形成F,和Zn"昆和溶液；按照N03—离子摩 尔数(O. 101mol)与0H—离子摩尔数为1:1,称量4. 04g分析纯的Na0H粉末，加入100ml去离子水，配制成NaOH溶液。第二步，将配制好的NaOH溶液 倒入Fe3+和Zn2+的混和溶液中，不断搅拌，同时滴加氨水，控制溶液的W^9， 使得Fe"和Zn"完全沉淀，形成Fe(0H)3和Zn(0H)2混合沉淀；将沉淀物过 滤，用去离子水洗涤5遍，再将沉淀物分离出来。第三步，将混合沉淀物 置于烘箱中在120。C下将其烘干，并将其研磨；接着在300T氩气氛中预烧 结10小时；最后将得到的再粉末研磨8小时，然后压片，在500°C氩气氛 中烧结18小时，制得样品S3。样品S3为完全的纤锌矿结构，其XRD图谱 如图1所示。采用以上方法制备的ZnnFe力材料具有室温铁磁性，是一种具有应用 前景的稀磁半导体，可用于制备稀磁半导体薄膜所用的靶材和自旋电子学 领域，如自旋光发射二极管、自旋极化太阳电池、磁光开光等等。其中采 用X射线衍射仪(XRD)对样品结构的进行表征，采用综合物性测试仪(PPMS) 对样品磁性质进行测量。结构分析表明掺杂浓度低于2%，即Zm-xFexO材料中Fe的浓度x范 围为0〈x《0.02时，样品(即S1， S2， S3)为单相结构，所有的衍射峰均 可按照纯ZnO纤锌矿结构指标化，如图1所示；当掺杂为3%时，XRD图谱 中出现第二相ZnFe204的杂峰，如图2所示，这些结果表明Fe离子在ZnO 晶格中的固溶度很低，因此在利用本发明制备铁掺杂氧化锌室温稀磁半导 体材料时，Fe掺杂浓度x范围为0〈x《0.02，且烧结温度不宜过高，过高 的烧结温度容易导致第二相出现。磁测量表明所有的样品均表现出室温 铁磁性，且随掺杂组分的增加，铁磁性逐渐增强，如图3所示。采用本发 明可制得不同Fe掺杂浓度的具有室温铁磁性的掺铁氧化锌稀磁半导体材料。上述是对本发明最佳实施例工艺步骤地详细描述，但是很显然，本发 明技术领域的研究人员可以根据上述的步骤作出形式和内容上的非实质性 的改变而不偏离本发明所实质保护的范围，因此，本发明不局限于上述具 体的形式和细节。
权利要求
1.一种Fe掺杂ZnO室温稀磁半导体材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤A.将分析纯的Zn(NO3)2·6H2O和Fe(NO3)3·9H2O粉末充分混和后，加入去离子水使其完全溶解，形成Fe3+和Zn2+混和溶液，其中Fe3+的掺杂浓度为0＜Fe3+≤2％；将NO3-离子摩尔数与OH-离子摩尔数为1∶1的分析纯NaOH粉末，加入到去离子水，配制成NaOH溶液；B.将配制好的NaOH溶液倒入Fe3+和Zn2+的混和溶液中，不断搅拌，同时滴加氨水，控制溶液的PH值为8≤PH值≤9，使Fe3+和Zn2+完全沉淀，形成Fe(OH)3和Zn(OH)2混合沉淀；将沉淀物过滤，分离，并用去离子水反复洗涤，去掉沉淀物表面可能的残留离子；C.将洗涤后的沉淀物置于100℃-150℃烘箱中烘干，并将其研磨；接着在惰性气氛中进行预烧结，预烧温度为300℃-500℃，预烧结时间为6-10小时；将得到的粉末再经过研磨，压片，在惰性气氛下烧结，烧结温度为500℃-700℃，烧结时间为12-24小时，即得到Fe掺杂ZnO室温稀磁半导体材料。
2. 根据权利要求1所述的一种Fe掺杂ZnO室温稀磁半导体材料的制备 方法，其特征在于所述惰性气氛为氩气气氛。
全文摘要
一种Fe掺杂ZnO室温稀磁半导体材料的制备方法，采用共沉淀法，其制备方法包括A.制备Fe³⁺、Zn²⁺混和溶液和NaOH溶液；B.将上述溶液混合，形成沉淀物，并对沉淀物过滤、分离和洗涤；C.将沉淀物烘干、预烧结、研磨、压片和烧结后，得到Fe掺杂ZnO室温稀磁半导体材料。本发明提供了一种全新的Fe掺杂ZnO室温稀磁半导体材料的制备方法，该制备出的Fe掺杂ZnO半导体材料，具有室温铁磁性。
文档编号C01G9/00GK101224904SQ20081004678
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月25日 优先权日2008年1月25日
发明者何惊华, 王永强, 田召明, 袁松柳 申请人:华中科技大学