一種摻雜磁性半導體梯度材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種摻雜磁性半導體梯度材料的制備方法，屬于磁性半導體材料領域。
技術背景
[0002]現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎是半導體材料，而利用半導體材料的電荷自由度來實現(xiàn)信息的傳輸與處理是現(xiàn)代電子元器件的主要工作原理。但是電子在定向運動過程中會發(fā)生各種散射，從而使得信息處理的速度不能無限的提升。電子還有另外一個自由度為自旋，通過自旋可以實現(xiàn)信息的存儲，這也是現(xiàn)代存儲器件的主要原理。如果將電子的自旋屬性和電荷屬性結(jié)合，在半導體中獲得自旋極化電流，則可以在同一個器件中實現(xiàn)信息的傳輸，處理和存儲，從而使得電子器件速度更快，體積更小。在半導體材料中通過摻雜磁性離子可以使磁性離子取代陽離子晶格，得到磁性半導體，從而獲得一定自旋極化率的傳輸電流，實現(xiàn)電子電荷自由度和自旋自由度的結(jié)合使用。在磁性半導體中，磁性離子具有的局域磁矩可以和載流子以及缺陷發(fā)生自旋交換作用，影響半導體的電學，光學性質(zhì)。傳統(tǒng)上可以通過外加磁場對局域磁矩施加影響，從而實現(xiàn)磁調(diào)控電、光的效果，另外一方面可以在磁性半導體中構(gòu)建各種磁各向異性場，也可以利用這種各向異性場來實現(xiàn)磁調(diào)控電、光性質(zhì)。這種調(diào)節(jié)方式是器件最底層的調(diào)控，避免了引入外加磁場的難度，便于電子器件的微型化。
[0003]傳統(tǒng)磁性半導體分為三種，第一種為少量磁性元素摻雜I1-VI族非磁性半導體材料形成的合金，如(Cd，Mn) Te，( Zn，Mn) Se等;第二種為Mn摻雜的II1-V族磁性半導體材料如GaAs,AlAs，(Ga，Al)As，(In，Ga)As等;第三種為少量磁性元素摻雜的氧化物半導體如ZnO:Fe, T12: Co, SnO2: Ni等。傳統(tǒng)的制備磁性半導體的方法有溶膠凝膠法，磁控濺射法，脈沖激光沉積法，分子束外延法等，眾多研究人員通過調(diào)節(jié)磁性離子濃度，生長氣壓，基片種類等制備參數(shù)來調(diào)節(jié)其室溫鐵磁性，但是通過這種方式得到的磁性半導體都是均勻的，各向同性的，只能利用外加磁場來調(diào)控材料的電、光性質(zhì)。因此有效的在磁性半導體材料內(nèi)部構(gòu)造成本征的各向異性場是實現(xiàn)磁性半導體實際應用的關鍵。磁各向異性可以通過成分的各向異性來誘導出來，通過形成垂直于膜面的磁性離子濃度梯度，可以得到成分各向異性。在磁性半導體中，少量磁性元素摻雜的氧化物半導體可以通過磁性氧化物和氧化物半導體分體混合，很方便實現(xiàn)磁性離子的摻雜，因此通過這種方式構(gòu)造摻雜磁性半導體梯度材料能夠有效的構(gòu)造出垂直各向異性場，通過改變磁性離子的濃度梯度來調(diào)控磁性半導體性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種摻雜磁性半導體梯度材料的制備方法。其步驟為:
[0005]I)靶材制備
[0006]將氧化物半導體粉末和磁性氧化物粉末按照磁性氧化物粉末摩爾百分數(shù)為O%?25 %混合均勻，添加PVA粘結(jié)劑，壓制成型后進行900?1400 °C高溫燒結(jié)12?16h，得到不同磁性元素含量的靶材；
[0007]2)多層膜沉積
[0008]將2?6個不同磁性元素含量的靶材置于多靶脈沖激光沉積系統(tǒng)中，并放置基片，基片與革E材之間距離為3?7cm，腔體真空度高于5 X 10—5torr，調(diào)節(jié)激光器能量為200?700mJ，室溫下在基片上沉積具有不同磁性元素摻雜量的半導體多層膜，其中單層膜厚為I?1nm;
[0009]3)熱處理
[0010]對上述多層膜在200?700°C溫度下進行0.5?3h的熱處理。
[0011]所述的氧化物半導體粉末為Ti02、Sn02、Zn0中的一種;所述的磁性氧化物粉末為Fe203、Co203、Ni0、Mn0 中的一種或幾種。所述的基片為 S1、SiTi03、Mg0、LaA103、YSZ、石英、藍寶石、玻璃基片中的一種。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果為:本發(fā)明可以方便的制備具有室溫鐵磁性的磁性半導體，采用多靶脈沖激光沉積制備技術，通過沉積具有不同磁性離子濃度的多層膜，在磁性半導體薄膜中形成垂直于薄膜表面的磁性離子濃度梯度，從而誘導出垂直于薄膜表面的各向異性場，通過調(diào)節(jié)沉積每層薄膜時每個靶材的磁性元素摻雜量，可以方便的控制離子濃度梯度，從而有效的實現(xiàn)各向異性場的調(diào)節(jié)，為利用磁性半導體本征磁各向異性場來調(diào)制材料的電、光特性提供有利的條件。
[0013]本發(fā)明所采用的利用磁性離子濃度梯度來誘導磁各向異性的方法可以作為一種普適的各向異性場誘導方法，為其他種類的磁性半導體的性能調(diào)制和應用創(chuàng)造了更可靠的條件。
【附圖說明】
[0014]附圖1為多靶材脈沖激光沉積系統(tǒng)示意圖。
【具體實施方式】
[0015]如圖1所示，本發(fā)明的摻雜磁性半導體梯度材料及其制備方法是將氧化物半導體和磁性氧化物粉末混合起來以后成型，燒結(jié)為靶材，利用多靶脈沖激光沉積系統(tǒng)在基片上沉積不同磁性離子濃度摻雜的磁性半導體多層膜，進行熱處理后，形成具有磁性離子濃度梯度的磁性半導體薄膜，從而方便的誘導出垂直于薄膜表面的磁性各向異性場，實現(xiàn)對材料電、光性能的調(diào)制。
[0016]本發(fā)明采用具體的步驟如下:
[0017]I)靶材制備
[0018]將氧化物半導體粉末和磁性氧化物粉末按照磁性氧化物粉末摩爾百分數(shù)為0%?25 %混合均勻，添加PVA粘結(jié)劑，壓制成型后進行900?1400 °C高溫燒結(jié)12?16h，得到不同磁性元素含量的靶材；
[0019]2)多層膜沉積
[0020]將2?6個不同磁性元素含量的靶材置于多靶脈沖激光沉積系統(tǒng)中，并放置基片，基片與革E材之間距離為3?7cm，腔體真空度高于5 X 10—5torr，調(diào)節(jié)激光器能量為200?700mJ，室溫下在基片上沉積具有不同磁性元素摻雜量的半導體多層膜，其中單層膜厚為I?1nm;
[0021]3)熱處理
[0022]對上述多層膜在200?700°C溫度下進行0.5?3h的熱處理。
[0023]通過本發(fā)明可以有效的制備出具有不同磁性離子濃度梯度的磁性半導體薄膜，獲得垂直于薄膜表面的磁各向異性場。
[0024]下面結(jié)合具體實例對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明并不僅僅局限于以下實施例。
[0025]實施例1:
[0026]I)靶材制備
[0027]將SnO2粉末和Fe2O3粉末按照Fe2O3粉末摩爾百分數(shù)為0%、2%、4%、6%、8%、10%混合均勻，添加PVA粘結(jié)劑，壓制成型后進行1200°C高溫