一種調(diào)控稀磁半導(dǎo)體材料室溫磁性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種調(diào)控稀磁半導(dǎo)體材料室溫磁性的方法，屬于磁性半導(dǎo)體領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 自上世紀(jì)60年代以來，微電子技術(shù)的快速發(fā)展帶動了信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)在人類 生活中的廣泛應(yīng)用，同時也對電子器件具備高的集成性和器件小型化方面提出了更高的要 求。稀磁半導(dǎo)體由于其兼具半導(dǎo)體和磁性的特性，即在一種材料中同時具備電荷及自旋兩 種自由度，在磁性、磁光、磁電等方面表現(xiàn)出了很多新的性質(zhì)，有很大潛力實現(xiàn)各種新型的 功能器件，如高密度非易失性存儲器、磁感應(yīng)器和半導(dǎo)體電路的集成電路、光隔離器件和半 導(dǎo)體激光器集成電路以及量子計算機等領(lǐng)域。針對不同的應(yīng)用場合，實現(xiàn)對稀磁半導(dǎo)體室 溫磁性的調(diào)控，是其應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0003] 稀磁半導(dǎo)體的磁性取決于缺陷的耦合作用，而影響耦合作用的主要因素包括缺陷 的數(shù)量以及它們之間的耦合強度。目前，對稀磁半導(dǎo)體磁性調(diào)控的研究較多集中在調(diào)節(jié)缺 陷濃度方面。在半導(dǎo)體氧化物中摻雜磁性元素 Co、Ni、Fe或非磁性元素 Al、Mg、Zn等，通過改 變摻雜元素的濃度可以調(diào)節(jié)稀磁半導(dǎo)體材料中缺陷的數(shù)量，從而在一定程度上調(diào)節(jié)其室溫 磁性。但是，在半導(dǎo)體材料的晶格中摻雜元素的固溶度是有限的。例如在Co摻雜的TiO 2體系 中，摻雜濃度Co%的固溶極限約為3%。因此，這一方法對薄膜磁性的調(diào)控存在較大的局限 性。另一個調(diào)控磁性的思路就是調(diào)節(jié)缺陷之間耦合作用的強度。耦合程度的強弱和材料的 電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，從實際角度較難操作。本發(fā)明提供了一種方便可行的方法，通過稀磁半 導(dǎo)體材料的晶格畸變改變其電子結(jié)構(gòu)，達(dá)到調(diào)控耦合作用強弱和材料室溫磁性的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服目前稀磁半導(dǎo)體薄膜磁性能不高，且磁性難以有效調(diào)控的 不足，提供一種調(diào)控稀磁半導(dǎo)體薄膜材料室溫磁性的制備方法。本發(fā)明制備方法得到的薄 膜具有磁性能高，磁性可調(diào)控并且方法簡單易行的特點，具有極大的應(yīng)用前景。
[0005] 本發(fā)明選用純TiO2,或者非磁性離子Al3+、Mg 2+、Zn2+和/或磁性離子Co2+、Mn2+、Fe 3+ 中的一種或幾種摻雜的TiO2作為靶材，通過磁控濺射法或脈沖激光沉積法在不同襯底或緩 沖層上沉積TiO 2稀磁半導(dǎo)體薄膜。利用1^4103、3^103、1%0、￥32或51襯底或緩沖層晶格常數(shù) 和TiO 2晶格參數(shù)的差異，通過晶格失配在外延生長的TiO2薄膜中誘導(dǎo)壓縮(襯底材料晶格常 數(shù)&〈薄膜材料晶格常數(shù)a f)或膨脹(as>af)的畸變。由于稀磁半導(dǎo)體材料的室溫磁性與缺陷 和/或摻雜元素之間的耦合作用密切相關(guān)，而耦合作用的強弱對耦合間距，即材料的晶格參 數(shù)變化十分敏感。在稀磁半導(dǎo)體材料中誘導(dǎo)壓縮的晶格畸變，會增強電子云的疊加，增大電 子交換耦合作用，從而提高材料的磁性。反之，稀磁半導(dǎo)體材料的晶格膨脹，會減弱電子云 的交疊及交換耦合作用，從而降低磁性。因此，通過改變材料的電子結(jié)構(gòu)及磁性耦合作用， 可以有效地控制稀磁半導(dǎo)體的室溫磁性。
[0006] 本發(fā)明在具有不同晶格常數(shù)的襯底或緩沖層上沉積TiO2基薄膜，利用襯底或緩沖 層的晶格誘導(dǎo)外延薄膜產(chǎn)生晶格畸變，改變材料的電子結(jié)構(gòu)，控制磁性耦合作用的程度，從 而實現(xiàn)對稀磁半導(dǎo)體材料室溫磁性的調(diào)控。稀磁半導(dǎo)體材料晶格的膨脹或壓縮將相應(yīng)地降 低或增強缺陷的耦合作用及材料的室溫磁性。該方法操作性強，適用于多種薄膜制備工藝， 制備的稀磁半導(dǎo)體薄膜磁性能優(yōu)異，且其磁性可根據(jù)應(yīng)用場合方便地調(diào)節(jié)。此外，該方法亦 可與其他調(diào)節(jié)稀磁半導(dǎo)體磁性的方法如改變摻雜元素的種類和濃度結(jié)合以來，擴展的材料 室溫磁性的調(diào)節(jié)范圍。
【具體實施方式】
[0007] 實施例1:
[0008] 將純的Ti〇2(99.99%)作為靶材，用磁控濺射的方法在LaAl〇3、SrTi〇3和YSZ襯底上 沉積TiO 2薄膜。通過測量TiO2薄膜的晶格參數(shù)，與TiO2晶格常數(shù)對比計算出晶格畸變率如下 表。其中，產(chǎn)生膨脹效應(yīng)的晶格畸變率為正值，產(chǎn)生壓縮效應(yīng)的晶格畸變率為負(fù)值。獲得的 TiO2薄膜具有明顯的磁滯回線，說明具有室溫磁性，其飽和磁化強度和矯頑力如下表所示。 可見，TiO 2基薄膜中壓縮或膨脹的晶格畸變可顯著增強或減弱室溫磁性。
[0011] 實施例2:
[0012] 將Ti99.98C〇〇. 02〇2作為靶材，用脈沖激光沉積的方法在LaAlO3、Si和MgO襯底上沉積 Co摻雜的TiO2薄膜。通過測量TiO2薄膜的晶格參數(shù)，與TiO2晶格常數(shù)對比計算出晶格畸變率 如下表。制備的TiO 2薄膜具有明顯的磁滯回線，說明具有室溫磁性，其飽和磁化強度和矯頑 力如下表所示?？梢姡S著TiO2基薄膜晶格膨脹程度的增大，材料的室溫磁性呈現(xiàn)減弱趨 勢。
[0014] 實施例3:
[0015] 將Ti99.97Al〇. Q3O2作為靶材，用磁控濺射的方法在LaAlO3、MgO和YSZ襯底上沉積Al摻 雜的TiO2薄膜。通過測量TiO2薄膜的晶格參數(shù)，與TiO2晶格常數(shù)對比計算出晶格畸變率如下 表。其中，產(chǎn)生膨脹效應(yīng)的晶格畸變率為正值，產(chǎn)生壓縮效應(yīng)的晶格畸變率為負(fù)值。制備的 TiO2薄膜具有明顯的磁滯回線，說明具有室溫磁性，其飽和磁化強度和矯頑力如下表所示。 可見，TiO 2基薄膜中壓縮或膨脹的晶格畸變可顯著增強或減弱室溫磁性。
[0017] 實施例4:
[0018] 將Ti99.96AlQ.() 2Ni().()2〇2作為靶材，用脈沖激光沉積的方法在SrTi03、Al 2〇3和YSZ襯底 上沉積Al和Ni共摻雜的TiO2薄膜。通過測量TiO2薄膜的晶格參數(shù)，與TiO2晶格常數(shù)對比計算 出晶格畸變率如下表。制備的TiO2薄膜具有明顯的磁滯回線，說明具有室溫磁性，其飽和磁 化強度和矯頑力如下表所示?？梢?，隨著TiO 2基薄膜晶格膨脹程度的增大，材料的室溫磁性 呈現(xiàn)減弱趨勢。
[0020] 實施例5:
[0021] 將Ti99.95FeQ. Q3C〇().()2〇2作為靶材，用磁控濺射的方法在Si、MgO和YSZ襯底上沉積Fe、 Co共摻雜的TiO2薄膜。通過測量TiO2薄膜的晶格參數(shù)，與TiO2晶格常數(shù)對比計算出晶格畸變 率如下表。其中，產(chǎn)生膨脹效應(yīng)的晶格畸變率為正值，產(chǎn)生壓縮效應(yīng)的晶格畸變率為負(fù)值。 制備的TiO2薄膜具有明顯的磁滯回線，說明具有室溫磁性，其飽和磁化強度和矯頑力如下 表所示?？梢?，TiO 2基薄膜中壓縮或膨脹的晶格畸變可顯著增強或減弱室溫磁性。
[0022]
【主權(quán)項】
1. 一種調(diào)控稀磁半導(dǎo)體材料室溫磁性的方法，其特征在于在具有不同晶格常數(shù)的襯底 或緩沖層上外延生長Ti〇2基薄膜，利用不同襯底材料或緩沖層的晶格誘導(dǎo)外延薄膜的晶格 畸變，即通過控制薄膜晶體不同程度的壓縮或膨脹，調(diào)節(jié)磁性耦合作用的程度，從而實現(xiàn)對 稀磁半導(dǎo)體室溫磁性的調(diào)控。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種調(diào)控稀磁半導(dǎo)體材料室溫磁性的方法，其特征在于所述 的Ti02基薄膜為純Ti02。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種調(diào)控稀磁半導(dǎo)體材料室溫磁性的方法，其特征在于所述 的Ti02基薄膜為非磁性離子和/或磁性離子摻雜的Ti02薄膜，所述的非磁性離子為Al3+、Mg2 +、Zn2+中的一種或幾種，所述的磁性離子為Co2+、Ni2+、Fe3+中的一種或幾種。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種調(diào)控稀磁半導(dǎo)體材料室溫磁性的方法，其特征在于所述 的襯底材料或緩沖層為1^103、3^10 3、1%0、￥32^中的一種。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種調(diào)控稀磁半導(dǎo)體材料室溫磁性的方法，其特征在于所述 外延生長方法為磁控濺射法或脈沖激光沉積法。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種調(diào)控TiO2基稀磁半導(dǎo)體材料室溫磁性的方法，該發(fā)明屬于磁性半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。本方法采用具有不同晶格常數(shù)的襯底或緩沖層，誘導(dǎo)TiO2基薄膜材料產(chǎn)生晶格畸變。通過控制薄膜的晶格畸變，達(dá)到調(diào)控內(nèi)部缺陷磁性耦合作用的強度和材料室溫磁性的目的。選用純的TiO2，或者非磁性離子Al3+、Mg2+、Zn2+和/或磁性離子Co2+、Ni2+、Fe3+中的一種或幾種摻雜的TiO2作為靶材，用磁控濺射法或脈沖激光沉積法在具有不同晶格常數(shù)的襯底或緩沖層上沉積薄膜，使外延生長的TiO2基薄膜材料的晶格產(chǎn)生壓縮或者膨脹，以增強或減小室溫磁性。襯底或緩沖層為LaAlO3、SrTiO3、MgO、YSZ或Si中的一種。通過該方法制備得到的稀磁半導(dǎo)體薄膜具有明顯的室溫磁性和較高的居里溫度，并且可以通過改變襯底材料或緩沖層對其磁性進行調(diào)控，具有重要的應(yīng)用價值。
【IPC分類】C23C14/35, H01L21/02
【公開號】CN105470116
【申請?zhí)枴緾N201510936786
【發(fā)明人】吳琛, 丁文洋, 嚴(yán)密
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年12月15日