摻雜有鈷的鉛鈀氧半導(dǎo)體薄膜及其磁學(xué)特性的調(diào)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于磁性半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種半導(dǎo)體薄膜磁學(xué)特性的調(diào)控方法，尤其是通過控制薄膜厚度的方式在摻雜有鈷的鉛鈀氧(Co摻雜PbPdO2)半導(dǎo)體薄膜中獲得與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性的方法，具體為摻雜有鈷的鉛鈀氧半導(dǎo)體薄膜及其磁學(xué)特性的調(diào)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自旋電子學(xué)是一項(xiàng)在傳統(tǒng)半導(dǎo)體中引入電子自旋的新興技術(shù)，具有新穎性能的功能材料(如半金屬和稀磁半導(dǎo)體)在自旋電子學(xué)中占據(jù)重要地位。半金屬具有高自旋極化率，但其自旋弛豫長(zhǎng)度較短;稀磁半導(dǎo)體的自旋弛豫時(shí)間雖長(zhǎng)，但其自旋極化率較低。近年研究發(fā)現(xiàn)，作為繼半金屬和稀磁半導(dǎo)體之后的一種新型自旋電子材料，自旋零禁帶半導(dǎo)體理論上兼具高自旋極化率與大自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度，實(shí)驗(yàn)上具有奇特磁性，引起了人們廣泛關(guān)注。
[0003]在自旋電子學(xué)理論上，研究人員認(rèn)為Co摻雜PbPdO2半導(dǎo)體具有自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)是可行的，但在大晶粒尺寸的Co摻雜PbPdO2半導(dǎo)體薄膜和塊材的實(shí)驗(yàn)研究中，始終均未制備出含有與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的磁學(xué)特性的上述薄膜或塊材
最近5年，國(guó)內(nèi)外研究人員還研究了Mn、Cu、Zn等元素?fù)诫s的大晶粒PbPd02半導(dǎo)體薄膜或塊材，在實(shí)驗(yàn)上也沒有獲得與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的磁學(xué)特性。僅在沒有摻雜的PbPdO2塊材和薄膜中，分別獲得了常規(guī)室溫鐵磁性和與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性，但Co摻雜PbPdO2與沒有摻雜的PbPdO2是兩種不同物質(zhì)，具有不同的能帶結(jié)構(gòu)。因此，技術(shù)人員無法從摻雜Mn、Cu、Zn等元素的大晶粒PbPdO2半導(dǎo)體薄膜或塊材以及沒有摻雜的PbPdO2塊材和薄膜中獲取如何在Co摻雜PbPdO2薄膜中獲得與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性并對(duì)磁學(xué)特性進(jìn)行調(diào)控的有意義的技術(shù)啟發(fā)。在摻雜19at.%鈷的鉛鈀氧半導(dǎo)體納米顆粒膜中，研究人員曾獲得了與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性，但沒有獲得常規(guī)的室溫鐵磁性，從該研究中無法獲知決定與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性的根源是什么，也無從得知如何能夠在摻雜有鈷的鉛鈀氧半導(dǎo)體薄膜中實(shí)現(xiàn)常規(guī)的室溫鐵磁性和與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性之間的可控轉(zhuǎn)變。此外，因?yàn)殁挼膿诫s量和薄膜的微結(jié)構(gòu)均會(huì)改變鉛鈀氧半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，目前為止尚未見文獻(xiàn)公開報(bào)道在具有不同微結(jié)構(gòu)或其它鈷摻雜量的鉛鈀氧半導(dǎo)體薄膜中獲得與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性以及可控調(diào)節(jié)此類半導(dǎo)體磁學(xué)特性的方法。
[0004]所述與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性是指當(dāng)材料在磁場(chǎng)中磁化，其磁化強(qiáng)度與外加磁場(chǎng)呈現(xiàn)S形磁滯回線關(guān)系，磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)增加先增大，當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度增大到臨界值時(shí)，磁化強(qiáng)度突然減小，然后趨于飽和。磁化強(qiáng)度隨著溫度的升高而增大。所述常規(guī)的室溫鐵磁性是指當(dāng)材料在磁場(chǎng)中磁化，其磁化強(qiáng)度與外加磁場(chǎng)呈現(xiàn)S形磁滯回線關(guān)系，磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)增加先增大，然后趨于飽和。磁化強(qiáng)度隨著溫度的升高而減小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)自旋零禁帶半導(dǎo)體的技術(shù)現(xiàn)狀，提供一種在摻雜有鈷的鉛鈀氧半導(dǎo)體薄膜中調(diào)控磁學(xué)特性的方法，尤其是控制薄膜的磁學(xué)特性由常規(guī)的室溫鐵磁性向與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性轉(zhuǎn)變的方法。
[0006]—種摻雜有鈷的鉛鈀氧半導(dǎo)體薄膜，半導(dǎo)體薄膜為單相體心正交結(jié)構(gòu)，由摻雜有鈷(Co )的鉛鈀氧半導(dǎo)體(PbPdO2)納米顆粒組成。其中，鈷(Co )的原子比為15.0?17.0 at%2間。該半導(dǎo)體薄膜的厚度在320nm以下，且在300K及以下溫度時(shí)，具有與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的鐵磁性和/或常規(guī)的鐵磁性。
[0007]進(jìn)一步說，構(gòu)成半導(dǎo)體薄膜的摻雜有鈷的鉛鈀氧半導(dǎo)體的顆粒尺寸在40_70nm之間，摻雜有鈷的鉛鈀氧半導(dǎo)體的化學(xué)式為(PbPd1-XCoxO2)，其中的X取15.0-17.0at%。
[0008]進(jìn)一步說，半導(dǎo)體薄膜的厚度不大于320nm時(shí)，該半導(dǎo)體薄膜具有與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性和/或常規(guī)的室溫鐵磁性。
[0009]更進(jìn)一步說，半導(dǎo)體薄膜的厚度在50nm至160nm之間時(shí)，該半導(dǎo)體薄膜具有與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性和常規(guī)的室溫鐵磁性。
[0010]更進(jìn)一步說，半導(dǎo)體薄膜的厚度不大于50nm時(shí)，該半導(dǎo)體薄膜僅具有與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性。
[0011]對(duì)本發(fā)明所述的一種摻雜有鈷的鉛鈀氧半導(dǎo)體薄膜的磁學(xué)特性調(diào)制方法，按如下步驟進(jìn)行:
步驟a:稱取0.0008-0.0040mol 的硝酸鈷，0.0085-0.0425mol 的硝酸鉛，及0.0027-
0.0135mol的硝酸鈀。
[0012]步驟b:取乙二醇、乙二醇甲醚、去離子水配制成50ml的混合溶劑。該混合溶劑中的乙二醇、乙二醇甲醚、去離子水的體積比為4:8:1。
[0013]將步驟a稱取的硝酸鈷和硝酸鉛投入混合溶劑中，獲得含有硝酸鈷和硝酸鉛的溶液。
[0014]將步驟a稱取的硝酸鈀投入硝酸中，獲得含有硝酸鈀的硝酸溶液。所述硝酸的濃度為68%，用量為5ml。
[0015]將含有硝酸鈷和硝酸鉛的溶液與含有硝酸鈀的硝酸溶液混合，獲得二次混合的溶液。所述二次混合的溶液內(nèi)的鉛離子濃度在0.06 mo I/L-0.30mol/L之間的混合溶液。
[0016]步驟C:取0.018?0.078mol的檸檬酸加入所述步驟b所得的二次混合的溶液中，并置于338K的環(huán)境中攪拌6小時(shí)。隨后，加入0.5mL的N，N_二甲基甲酰胺，并攪拌I小時(shí)，得到溶膠，該溶膠為絡(luò)合的狀態(tài)。
[0017]步驟d:采用旋涂勻膠工藝，將由步驟c獲得的溶膠涂覆在藍(lán)寶石單晶基板上，進(jìn)行4次以上的旋涂預(yù)燒，獲得表面附著有多層預(yù)燒薄膜的藍(lán)寶石單晶基板。所述多層預(yù)燒薄膜的總厚度不大于320nm。多層預(yù)燒薄膜的層數(shù)與在藍(lán)寶石單晶基板上進(jìn)行的旋涂預(yù)燒的次數(shù)相同。
[0018]步驟e:將表面附著有多層預(yù)燒薄膜的藍(lán)寶石單晶基板置于熱處理爐中，在空氣氣氛中，以5K/分鐘的升溫速率將溫度升至923K，并保溫30分鐘。隨后隨爐冷卻至室溫，得到具有與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性和/或常規(guī)的室溫鐵磁性的摻雜有鈷的鉛鈀氧半導(dǎo)體薄膜。
[0019]進(jìn)一步說，所述檸檬酸的摩爾數(shù)為步驟a中鉛元素的摩爾數(shù)、鈀元素的摩爾數(shù)、鈷元素的摩爾數(shù)之和的1.6倍。
[0020]進(jìn)一步說，步驟d制得多層預(yù)燒薄膜的多次旋涂預(yù)燒工藝的具體步驟如下:在藍(lán)寶石單晶基板上進(jìn)行4-15次的旋涂預(yù)燒。旋涂預(yù)燒的方法為:
步驟d.1將由步驟c獲得的溶膠，在藍(lán)寶石單晶基板上進(jìn)行第I次旋涂。
[0021]隨后，將經(jīng)過旋涂的藍(lán)寶石單晶基板放入烘箱中，在空氣氣氛中以333K干燥5分鐘，在藍(lán)寶石單晶基板上形成第I層前驅(qū)體薄膜。
[0022]之后，將附著有第一層前驅(qū)體薄膜的藍(lán)寶石單晶基板放入熱處理爐中，在空氣氣氛中以5K/分鐘的升溫速度升至673K保溫5分鐘，將第I層前驅(qū)體薄膜轉(zhuǎn)化為預(yù)燒薄膜，從而獲得附著有I層預(yù)燒薄膜的藍(lán)寶石單晶基板。
[0023]步驟d.2將由步驟c獲得的溶膠，在由步驟d.1獲得的附著有I層預(yù)燒薄膜的藍(lán)寶石單晶基板上進(jìn)行第2次旋涂。
[0024]隨后，將經(jīng)過旋涂的附著有I層預(yù)燒薄膜的藍(lán)寶石單晶基板放入烘箱中，在空氣氣氛中以333K干燥5分鐘，在藍(lán)寶石單晶基板上形成第2層前驅(qū)體薄膜。
[0025]之后，將附著有第2層前驅(qū)體薄膜的藍(lán)寶石單晶基板放入熱處理爐中，在空氣氣氛中以5K/分鐘的升溫速度升至673K保溫5分鐘，將第2層前驅(qū)體薄膜轉(zhuǎn)化為預(yù)燒薄膜，從而獲得附著有2層預(yù)燒薄膜的藍(lán)寶石單晶基板。
[0026]步驟d.3按步驟d.2的方法重復(fù)2到13次，獲得表面附著有多層預(yù)燒薄膜的藍(lán)寶石單晶基板。該表面附著有多層預(yù)燒薄膜的藍(lán)寶石單晶基板包含有4?15層的預(yù)燒薄膜。
[0027]進(jìn)一步說，在藍(lán)寶石單晶基板上進(jìn)行每一次溶膠的旋涂，均進(jìn)行兩步勻膠。其中，第一步勻膠的工藝參數(shù)為:轉(zhuǎn)速800rpm，持續(xù)旋轉(zhuǎn)18秒。第二步勻膠的工藝參數(shù)為:轉(zhuǎn)速2000rpm，持續(xù)旋轉(zhuǎn)33秒。
[0028]進(jìn)一步說，在步驟d中，當(dāng)預(yù)燒薄膜的厚度在160nm至320nm之間時(shí)，最終產(chǎn)物僅具有常規(guī)的室溫鐵磁性。當(dāng)預(yù)燒薄膜的厚度在50nm至160nm之間時(shí)，最終產(chǎn)物具有與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性和常規(guī)的室溫鐵磁性。當(dāng)預(yù)燒薄膜的厚度不大于50nm時(shí)，最終產(chǎn)物僅具有與自旋零禁帶能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的室溫鐵磁性。