一种室温透明铁磁半导体材料及其制备方法

摘要

本发明公开了属于半导体技术领域的一种室温透明铁磁半导体材料及其制备方法。该室温透明铁磁半导体通过在具有内秉室温磁性的非晶材料基础上添加半导体功能元素制备新型铁磁半导体材料的技术思路制备。具体实施例采用磁控溅射法制备，得到半导体材料成分为Co

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，涉及一种室温透明铁磁半导体材料及其制备方 法。

背景技术

磁性半导体兼具磁性和半导体特性，可以通过操控电子自旋，实现接近完全 的自旋极化，提供了一种全新的导电方式和器件概念。这种特性可以用于开发新 一代电子器件，如自旋场效应管和自旋发光二极管等，将会大幅度降低能耗、增 加集成密度、提高数据运算速度，在未来的电子行业具有非常广泛的应用前景。 目前磁性半导体的研究主要以稀磁半导体为主，通过在半导体材料中添加过渡族 磁性元素获得内秉磁性。但是迄今报道的典型稀磁半导体的最高居里温度仅有 190K，仍远低于室温，无法满足电子自旋器件在室温下工作的要求。研究表明 稀磁半导体材料的居里温度随外加磁性元素的含量增加而升高，但是由于受到材 料晶体结构对外加元素固溶度的上限影响，在此基础上实现大幅度提高居里温度 并达到室温的可能性微乎其微。因此，开发具有内秉室温磁性的新型磁性半导体 材料一直都是该领域的研究热点和理想目标。

非晶态金属氧化物半导体具有独特的光学和电学特性，相比脆性Si基半导 体材料在柔性透明电子器件的应用方面比如可穿戴式电脑等的优势已引起世界 科学家的广泛关注。非晶材料结构上长程无序，不含晶体材料中常见且很难避免 的晶界、位错等缺陷，容易制备出大面积结构均匀的无缺陷样品，适合大批量产 业化生产应用。相比晶体结构，非晶材料原子排列相对松散，容易引入外加功能 性元素，同时允许外加元素更大的固溶度。在具有内秉室温磁性的非晶材料基础 上添加半导体功能元素制备新型磁性半导体可能为解决稀磁半导体居里温度远 低于室温的难题开辟出一条新的技术路线。

发明内容

本发明的目的是提供一种室温透明铁磁半导体材料及其制备方法，其特征在 于，所述室温透明铁磁半导体材料的成分为Co_x(B_aFe_bTa_c)_yO_100-x-y,其中x，y为 原子百分数，取值范围为：10≤x≤40，19≤y≤55，a＞b＞c，cy≥3具有室温透 明铁磁特性，为非晶态结构，是一种集光学、电学、磁学特性于一体的半导体材 料。

一种室温透明铁磁半导体材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步 骤：

⑴采用传统的物理气相沉积磁控溅射方法；

(2)采用三种方式制备磁控溅射靶材

i粉末靶材制备方法：原料为粉末，粉末尺度为100微米以下；将称量好的 粉末材料充分混合后放入靶材容器中，表面压平即可用于磁控溅射镀膜;

ii氧化物靶材制备方法：原料为Co、Fe、Ta和B粉末，并将所述原料在氧 气氛围下烧结成Co-Fe-Ta-B-O靶材;

iii金属合金靶材制备方法：原料为块体Co、Fe、Ta和B，并将所述原料混 合后采用熔融铸造的方法制备靶材；

(3)对应粉末靶材和氧化物靶材，磁控溅射设备预抽真空至～10^‐4Pa，通入高 纯惰性气体Ar，工作气压为0.5‐10Pa，溅射时间为～5小时，溅射厚度小于400 纳米；

（4）对应金属合金靶材，磁控溅射设备预抽真空至～10^‐4Pa，通入惰性气体 Ar和氧气，二者分压比为1‐9:1，工作气压为0.5‐10Pa，溅射时间为～2小时， 溅射厚度小于400纳米；

所述高纯惰性气体Ar的纯度大于99.999wt%。

本发明的有益效果为：

1、本发明在具有内秉室温铁磁性的非晶材料基础上添加半导体功能元素制备 新型铁磁半导体；采用工业化制备薄膜材料传统方法磁控溅射法制备出居里温度 高于室温（约163摄氏度），兼具独特光学、电学、磁学特性于一体的非晶态室 温透明铁磁半导体；解决了目前磁性半导体特别是稀磁半导体居里温度低于室温 的技术难题。

2、本发明制备出的室温透明铁磁半导体材料为直接带隙半导体，光学带隙 为～3.6eV，最大磁光法拉第偏转角约3.7×10⁴度／cm，具有光致发光现象，可 用于磁光、光电器件材料。

3、本发明制备出的室温透明铁磁半导体具有优异磁学软磁性能，表现出反常 霍尔效应和异常磁阻现象，结合其半导体特性，可用于自旋场效应管和自旋发光 二极管等自旋电子器件。

4、该室温透明铁磁半导体材料制备工艺简单、原材料价格便宜，且环境友 好，是一种优异的自旋电子器件备选材料，且在自旋电子学领域有潜在应用。

附图说明

图1是实施例1Co_20.3(B_0.62Fe_0.26Ta_0.12)_40.7O_39.0的透射电镜图谱：(a)BF-STEM 图像和(b)高分辨电子显微图像，插图为选区电子衍射图谱；

图2是实施例1Co_20.3(B_0.62Fe_0.26Ta_0.12)_40.7O_39.0的光学特性：透射谱；

图3是实施例2Co_31.9(B_0.47Fe_0.36Ta_0.17)_40.2O_27.9的电学特性：电阻率随温度变化 曲线；

图4是实施例2Co_31.9(B_0.47Fe_0.36Ta_0.17)_40.2O_27.9的饱和磁化曲线；

图5是实施例2Co_31.9(B_0.47Fe_0.36Ta_0.17)_40.2O_27.9的磁光特性；

图6是实施例3Co_32.4(B_0.66Fe_0.44Ta_0.09)_35.2O_32.4的磁学特性：场冷和零场冷却曲 线；

图7是实施例3Co_32.4(B_0.66Fe_0.44Ta_0.09)_35.2O_32.4的光垫特性：光致发光光谱；

图8是实施例3Co_32.4(B_0.66Fe_0.44Ta_0.09)_35.2O_32.4的电磁特性：反常霍尔效应；

图9是实施例3Co_32.4(B_0.66Fe_0.44Ta_0.09)_35.2O_32.4的电磁特性：异常磁阻现象。

具体实施方式

本发明提供一种室温透明铁磁半导体材料及其制备方法。下面结合实施例对 本发明予以说明。

实施例1

采用粉末靶材制备出室温透明铁磁半导体Co_20.3(B_0.62Fe_0.26Ta_0.12)_40.7O_39.0材料。 具体操作步骤如下：选用粉末粒度为100微米以下Co、Fe、Ta和B原料；将称 量好的粉末材料充分混合；按照磁控溅射设备靶材尺寸，用线切割法制备Al质 靶材容器；将充分混合的粉末原料放入靶材容器中，表面压平即可用于磁控溅射 镀膜;磁控溅射设备预抽真空至～10^-4Pa，通入高纯惰性气体Ar，工作气压为 0.5-10Pa。

所制备的室温透明铁磁半导体Co_20.3(B_0.62Fe_0.26Ta_0.12)_40.7O_39.0材料由TEM和 STEM进行结构表征，如图1所示薄膜结构为非晶态结构；电学测量：采用的仪 器是Quantum Design公司的PPMS-9；透过率测试采用的是PERKINELMER公 司的Lambda950型紫外/可见/近红外分光光度计，如图2所示在可见光光谱范围 内薄膜的透光率超过80%，可以与ITO薄膜相媲美；光致发光光谱测试采用的是 Renishaw RM1000型显微共焦激光拉曼光谱仪；磁学测量：M-T测试采用的是 Quantum Design公司的MPMS SQUID VSM；磁光法拉第效应采用MCD技术测 量。

实施例2

采用氧化物靶材制备出室温透明铁磁半导体Co_31.9(B_0.47Fe_0.36Ta_0.17)_40.2O_27.9材 料。具体操作步骤如下：选用粉末烧结法制备出氧化物靶材;磁控溅射设备预抽 真空至～10^-4Pa，通入高纯惰性气体Ar，工作气压为0.5-10Pa。

所制备的室温透明铁磁半导体Co_31.9(B_0.47Fe_0.36Ta_0.17)_40.2O_27.9材料由TEM和 STEM进行结构表征；电学测量：采用的仪器是Quantum Design公司的PPMS-9， 如图3所示，电阻率随温度变化曲线呈现典型半导体材料的电阻率的负温度相关 特征，低温区域（10K以下）呈现电子跳跃传导机制，相对高温区（10K以上） 呈现受长程库仑力主导的导电机制；透过率测试采用的是PERKINELMER公司 的Lambda950型紫外/可见/近红外分光光度计；光致发光光谱测试采用的是 Renishaw RM1000型显微共焦激光拉曼光谱仪；磁学测量：M-T测试采用的是 Quantum Design公司的MPMS SQUID VSM，如图4所示，该材料表现出优异的 软磁性能，饱和磁化强度为280kA/m；磁光法拉第效应采用MCD技术测量，如 图5所示，最大磁光法拉第偏转角达～3.7×10⁴度／cm，这种特性可以用于制备 磁光器件。

实施例3

采用金属合金靶材制备出室温透明铁磁半导体Co_32.4(B_0.66Fe_0.44Ta_0.09)_35.2O_32.4材 料。具体操作步骤如下：原料为块体Co、Fe、Ta和B，并将所述原料混合后采 用熔融铸造的方法制备靶材;磁控溅射设备预抽真空至～10^-4Pa，通入高纯惰性 气体Ar和氧气，二者分压比为9:1，工作气压为0.5-10Pa。

所制备的室温透明铁磁半导体Co_32.4(B_0.66Fe_0.44Ta_0.09)_35.2O_32.4材料由TEM和 STEM进行结构表征；电学测量：采用的仪器是Quantum Design公司的PPMS-9, 如图8所示的铁磁材料中出现的典型反常霍尔效应，图9所示的磁阻异常现象； 透过率测试采用的是PERKINELMER公司的Lambda950型紫外/可见/近红外分 光光度计；光致发光光谱测试采用的是Renishaw RM1000型显微共焦激光拉曼光 谱仪，如图7所示，光致发光光谱的吸收边所对应的的光学带隙为～3.6eV；磁 学测量：M-T测试采用的是Quantum Design公司的MPMS SQUID VSM，如图6 场冷和零场冷却曲线所示，该材料的居里温度为～163摄氏度，远高于室温，在 低温区出现自选玻璃现象；磁光法拉第效应采用MCD技术测量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到 的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应 该以权利要求的保护范围为准。