CN101262040B - 氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构及其制备方法 - Google Patents

氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构，由如下三层结构组成：底层为衬底，中层为氧化物稀磁半导体薄膜，上层为铁电体薄膜。所述的衬底为Si、蓝宝石、SrRuO3或其它钙钛矿氧化物衬底；所述的氧化物稀磁半导体薄膜为宽禁带氧化物ZnO、TiO2或SnO2薄膜，掺杂有过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni或Cr；所述的铁电体薄膜为锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡薄膜。本发明还公开了2种所述氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构的制备方法：脉冲激光沉积法和溶胶凝胶法。所述的氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构在外加电场的作用下可对其铁磁性进行非挥发性调制，能广泛应用于电子计算机领域、自旋电子学领域及非挥发性存储器领域。

Description

氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构及其制备方法
技术领域
本发明属于自旋电子学、半导体物理学、铁电物理学和材料物理学相互交叉渗透的领域，特别涉及一种可用外加电场对氧化物稀磁半导体的铁磁性进行非挥发性调制的氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构及其制备方法。
背景技术
基于在电源频繁的开关状态下能够保持其逻辑状态(即非挥发性)的数字电路，将可能开发出新一代电子计算机等电子器件，此类电子计算机的运行虽然看起来跟普通计算机相同，但实际上在大部分时间内，其电源都处于关闭状态，这一特性将彻底改变我们使用数字电路的方式。基于非挥发性数字电路的电子器件将具有稳定性好、信息存储量大、信息处理快以及运行功耗低等特点。实现非挥发性数字电路的关键是需要研发出非挥发性电子晶体管。由于目前的电子晶体管都是基于半导体材料开发的，因此设计和制备非挥发性晶体管的最理想办法是开发出非挥发性的半导体材料，如铁磁性半导体。所以，通过在非磁性半导体母体中掺入少量的磁性离子而使其具有铁磁特性的稀磁半导体自然引起了人们极大的兴趣和受到了广泛的重视，目前科研人员相继在(Ga，Mn)As、(Ga，Mn)N、(Zn，Co)O、(Ti，Co)O2等稀磁半导体中观察到了铁磁性。然而，从器件应用的角度来说，只有当稀磁半导体铁磁相变的居里温度在室温甚至远高于室温时，自旋电子器件才能在通常情况下稳定工作。因此，要开发出新一代非挥发性晶体管，首先要开发出居里温度在室温甚至远高于室温的稀磁半导体并实现对其铁磁性能的控制。而宽禁带氧化物ZnO、TiO2、SnO2等稀磁半导体的铁磁相变的居里温度较高，可以满足自旋电子器件的工作需求。
通过外加磁场控制磁性电路单元的磁性反转是非挥发性铁磁存储器中读写数据和信息的基本过程。但是目前随着器件集成化和微型化的发展和需要，为了提高单元电路的集成度和数据存储能力，需要提高纳米级磁性材料的磁能密度来消除热起伏造成的电路不稳定性，从而使得数据读写所需的磁场太高而难以实现，因此，设法利用其它手段来控制磁性电路单元的磁性反转就变得极为重要，特别是如果能够通过外加电场来实现对磁性电路单元的铁磁性调制，就可以利用外加电场来实现对其数据和信息的读写，这不但可以促进非挥发性数字电路的发展，而且对促进磁电子学和自旋电子学的相关研究也有重要科学意义。然而，要实现电场调制的稀磁半导体在非挥发性数字电路中的应用，必须要实现电场对稀磁半导体中铁磁性的非挥发性有效调制：一方面电场对稀磁半导体的铁磁性要有明显调制效应，另一方面电场对稀磁半导体的铁磁性调制要具有非挥发特性，即当外加电场撤销后，稀磁半导体的铁磁性仍然能保持在被调制后的状态，也就是要实现外加电场对铁磁性的非挥发性调制。
在传统的金属/绝缘体/稀磁半导体场效应晶体管结构中，当外加电压撤销后，氧化物稀磁半导体又回到了被调制前的状态，要想保持被调制后的状态就必须一直施加外加电压，从而不能实现真正意义上的非挥发特性。因此，非常有必要提出一种在断电后仍能使其铁磁状态保持的结构，从而实现真正意义上的非挥发特性。这样可以利用外加电场来实现对磁性电路单元的铁磁性调制，也就可以利用外加电场来实现对其数据和信息的读写，这将具有重要的科学意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构及其制备方法，该氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构在外加电场的作用下可对其铁磁性进行非挥发性调制。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构，其特征在于，由如下三层结构组成：底层为衬底，中层为氧化物稀磁半导体薄膜，上层为铁电体薄膜。之所以采取这种结构，主要是考虑到：电场对稀磁半导体铁磁性的调制主要是用场效应调制稀磁半导体中的载流子浓度从而调制其铁磁性。将氧化物稀磁半导体和铁电体组成氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构，铁电体由于具有电滞回线特性，在电场撤销后仍然能保持其被极化的状态。那么，在氧化物稀磁半导体/铁电体这种新型异质结构中，当在铁电层加上不同极性的电压时，在电场效应作用下根据铁电体的极化情况将在氧化物半导体和铁电体界面分别产生耗尽层或空间电荷层，从而可以实现外加电场对氧化物稀磁半导体中载流子浓度的调制，并进而实现对其铁磁性的调制。更为重要的是，由于铁电体具有电滞回线特性，即使在外加电场撤销以后，铁电体仍然能保持其极化状态，从而使得氧化物稀磁半导体也能保持在其被调制后的铁磁状态，实现外加电场对铁磁性的非挥发性调制。同时，铁电体由于介电常数高，其耐击穿电压要比SiO2等绝缘体高，便于提高电场对载流子和铁磁性的调制能力。
所述的衬底为Si、蓝宝石、SrRuO3或其它钙钛矿氧化物衬底；所述的氧化物稀磁半导体薄膜为宽禁带氧化物ZnO、TiO2或SnO2薄膜，掺杂有过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni或Cr；所述的铁电体薄膜为锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3，简称PZT)、钛酸钕铋((Bi，Nd)4Ti3O12，简称BNT)或钛酸锶钡((Ba，Sr)TiO3，简称BST)薄膜。
制备一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构的方法(脉冲激光沉积法)，其特征在于，包括以下步骤：
1)靶材和衬底安装
在真空腔中，将掺杂有过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni或Cr的ZnO、TiO2或SnO2靶材和锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡靶材安装于多靶材架上，将衬底安装在衬底架上，使激光束的方向对准具有掺杂元素的ZnO、TiO2或SnO2靶材。
2)抽真空
3)激光镀膜
往真空腔内通入氧气，对衬底加热；使激光束辐照在具有掺杂元素的ZnO、TiO2或SnO2靶材上，对衬底进行镀膜，得到具有掺杂元素的ZnO、TiO2或SnO2氧化物稀磁半导体薄膜；然后把锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡铁电体靶材转到激光照射的靶位，在氧化物稀磁半导体薄膜上进行铁电体薄膜层沉积，得到氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构。
所述步骤3)中，真空腔内的氧气压强为1.0Pa～30Pa，对衬底加热的温度为500℃～800℃。
制备一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构的另一种方法(溶胶凝胶法)，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备ZnTMO、SnTMO2或TiTMO2溶胶，其中TM为过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni或Cr
以分析纯的Zn(CHCOO)2·2H2O或Sn(CHCOO)4·2H2O和TM(CHCOO)x·4H2O为前驱物，将其溶于乙二醇甲醚和二乙醇胺的混合物溶剂中，得到ZnTMO或SnTMO2透明溶胶；
或以分析纯的Ti(OC4H9)4和TM(CHCOO)x·4H2O为前驱物，将其溶于乙醇和盐酸的混合物(溶剂)中，得到TiTMO2透明溶胶；
再将所得透明溶胶过滤，然后放置在恒温箱中，备用。
2)制备锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡溶胶
以分析纯的乙酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯作溶质，溶于乙二醇单甲醚溶剂中，得到锆钛酸铅透明溶胶；
或以分析纯的硝酸钕、硝酸铋和钛酸四丁酯作溶质，溶于冰醋酸溶剂中，得到钛酸钕铋透明溶胶；
或以分析纯的乙酸钡、乙酸锶和钛酸四丁酯作溶质，溶于冰醋酸溶剂中，得到钛酸锶钡透明溶胶；
再将所得透明溶胶过滤，然后放置在恒温箱中，备用。
3)ZnTMO、SnTMO2或TiTMO2薄膜层的制备
利用匀胶机通过甩胶旋涂的工艺将制备好的ZnTMO、SnTMO2或TiTMO2溶胶均匀地涂敷在衬底上得到湿膜，再将湿膜放置在热处理炉中预热处理，然后重复上述甩胶及预热处理过程得到氧化物稀磁半导体凝胶膜。
4)锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡薄膜层的制备
将配置好的锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡溶胶在步骤3)获得的氧化物稀磁半导体凝胶膜上继续旋涂和预热处理过程得到锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡薄膜层。
5)退火处理
将4)所得薄膜于氧气氛中在一定温度下退火一段时间，冷却后得到氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构。
所述步骤1)和步骤2)中的溶胶的浓度均为0.04mol/l～0.6mol/l，所述步骤5)中，退火温度为500℃～800℃，退火时间为5min～60min。
本发明的有益效果有：
本发明提出的异质结构的优点在于能用外加电场对磁性电路单元的铁磁性进行有效的非挥发性调制，解决了随着器件集成化和微型化的发展和需要，对磁性电路单元数据读写所需的磁场太高而难以实现的问题，从而可以利用外加电场来实现对磁性电路单元的数据和信息进行的读写，这将有助于提高单元电路的集成度和数据存储能力。图4和图5提供了2种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构在不同的调制电压条件下所获得的磁性图，充分说明了该氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构在外加电场的作用下可对其铁磁性进行非挥发性调制(对图4和图5的具体分析见后文的实施例)。所制备的氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构能够实现外加电场对其氧化物稀磁半导体的铁磁性进行非挥发性有效调制，这在自旋电子学领域及非挥发性存储器方面具有很好的应用前景。
附图说明
图1：氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构示意图；
图2：实施例1和实施例4中Zn0.99Mn0.01O/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3异质结构示意图；
图3：实施例2和实施例3中Sn0.99Mn0.01O2/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3异质结构示意图；
图4：实施例1中薄膜样品当分别加上+10V和-10V的电压使铁电层极化后样品的磁性图；
图5：实施例2中薄膜样品当分别加上+8V和-8V的电压使铁电层极化后后样品的磁性图。
具体实施方式
实施例1：采用脉冲激光沉积法制备Zn0.99Mn0.01O/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3异质结构，包括以下步骤：
(1)靶材和衬底安装
在真空腔中，将掺锰1％的ZnO靶材和Pb(Zr0.53Ti0.47)O3靶材安装于多靶材架上，将Si衬底清洗干净后安装在衬底架上，使激光束的方向对准掺锰的ZnO靶材，调节衬底与靶材的距离至58mm。
(2)抽真空
依次打开机械泵和分子泵，将真空腔内的压强抽至1.5*10-5Pa。
(3)激光镀膜
开启YAG固体激光器(激光波长为532nm)，调整好激光器的单脉冲的能量至230mJ，使激光单脉冲的能量密度为7J/cm2，激光重复频率为3Hz；再往真空腔内通入氧气，氧气压强固定在7.0Pa，开衬底加热装置，将衬底升温到600℃；将激光器发射的激光束辐照在掺锰的ZnO靶材上，开始在衬底上镀膜；镀膜40min后，得到掺锰的ZnO稀磁半导体薄膜；然后把锆钛酸铅靶材转到激光照射的靶位，在掺锰的ZnO稀磁半导体薄膜上进行铁电体锆钛酸铅薄膜层的沉积；镀膜20min后，依次关闭激光器、氧气阀门、衬底加热控制器、分子泵和机械泵，经过3个小时后取出样品，得到Zn0.99Mn0.01O/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3异质结构，该样品的结构示意图如图2所示。
实施例2：溶胶凝胶法制备Sn0.99Mn0.01O2/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3异质结构，步骤如下：
(1)制备Sn0.99Mn0.01O2溶胶
以分析纯的Sn(CHCOO)4·2H2O和Mn(CHCOO)2·4H2O为前驱物，将其溶于乙二醇甲醚和二乙醇胺的混合物(溶剂)中配成50ml浓度为0.4mol/l的溶液，其中二乙醇胺与锡的摩尔比为1∶1，再用磁搅拌器将该体系于90℃下搅拌5个小时，得到透明溶胶，将溶胶过滤，然后放置在恒温箱中以50℃的温度恒温1天，备用。
(2)制备Pb(Zr0.53Ti0.47)O3溶胶
所使用的原料为分析纯的乙酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯，按锆、钛摩尔比为53∶47将原料溶于乙二醇单甲醚溶剂中，用磁搅拌器在50℃下搅拌5小时，得到浓度为0.2mol/l的Pb(Zr0.53Ti0.47)O3透明溶胶，将溶胶过滤，然后放置在恒温箱中以30℃的温度恒温4天，备用。
(3)Sn0.99Mn0.01O2薄膜层的制备
把Si衬底放置在匀胶机的托盘上，再将制备好的Sn0.99Mn0.01O2溶胶以1000r/min的转速先低速匀胶6s，然后以3500r/min的转速高速匀胶30s得到湿膜，再将湿膜放置在热处理炉中以300℃的温度预热处理5分钟，然后重复上述甩胶及预热处理过程6次得到Sn0.99Mn0.01O2稀磁半导体凝胶膜。
(4)Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜层的制备
再将配置好的Pb(Zr0.53Ti0.47)O3溶胶滴在步骤(3)获得的Sn0.99Mn0.01O2稀磁半导体凝胶膜表面，以1000r/min的转速匀胶8s，然后以3500r/min的转速匀胶35s，再将其放置在热处理炉中以400℃的温度预热处理5分钟，然后重复上述甩胶及预热处理过程3次得到Sn0.99Mn0.01O2/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜。
(5)退火处理
最后，将Sn0.99Mn0.01O2/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜于氧气氛中在650℃下退火20min。自然冷却后取出样品，得到Sn0.99Mn0.01O2/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3异质结构，该样品的结构示意图如图3所示。
实施例3：脉冲激光沉积法制备Sn0.99Mn0.01O2/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3异质结构，步骤如下：
(1)靶材和衬底安装
在真空腔中，将掺锰1％的SnO2靶材和Pb(Zr0.53Ti0.47)O3靶材安装于多靶材架上，将Si硅衬底清洗干净后安装在衬底架上，使激光束的方向对准掺锰的SnO2靶材，调节衬底与靶材的距离至55mm。
(2)抽真空
依次打开机械泵和分子泵，将真空腔内的压强抽至1.5*10-5Pa。
(3)激光镀膜
然后开启YAG固体激光器，调整好激光器的单脉冲的能量至280mJ，使激光单脉冲的能量密度为10J/cm2，激光重复频率为3Hz；再往真空腔内通入氧气，氧气压强固定在10.0Pa，开衬底加热装置，将衬底升温到650℃；将激光器发射的激光束辐照在掺锰的SnO2靶材上，开始在衬底上镀膜；镀膜50min后，得到掺锰的SnO2稀磁半导体薄膜；然后把锆钛酸铅靶材转到激光照射的靶位，在掺锰的SnO2稀磁半导体薄膜上进行铁电体锆钛酸铅薄膜层的沉积；镀膜25min后，依次关闭激光器、关闭氧气阀门、衬底加热控制器、分子泵和机械泵，经过3小时后取出样品，得到Sn0.99Mn0.01O2/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3异质结构样品。
实施例4：溶胶凝胶法制备Zn0.99Mn0.01O/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3异质结构，步骤如下：
(1)制备Zn0.99Mn0.01O溶胶
以分析纯的Zn(CHCOO)2·2H2O和Mn(CHCOO)2·4H2O为前驱物，将其溶于乙二醇甲醚和二乙醇胺的混合物(溶剂)中配成50ml浓度为0.5mol/l的溶液，其中二乙醇胺与锌的摩尔比为1∶1，再用磁搅拌器将该体系于90℃下搅拌5个小时，得到透明溶胶，将溶胶过滤，然后放置在恒温箱中以50℃的温度恒温1天，备用。
(2)制备Pb(Zr0.53Ti0.47)O3溶胶
所使用的原料为分析纯的乙酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯，按锆、钛摩尔比为53∶47将原料溶于乙二醇单甲醚溶剂中，用磁搅拌器在50℃下搅拌5小时，得到浓度为0.2mol/l的Pb(Zr0.53Ti0.47)O3透明溶胶，将溶胶过滤，然后放置在恒温箱中以30℃的温度恒温3天，备用。
(3)Zn0.99Mn0.01O薄膜层的制备
把Si衬底放置在匀胶机的托盘上，再将制备好的Zn0.99Mn0.01O溶胶以1000r/min的转速先低速匀胶6s，然后以3500r/min的转速高速匀胶30s得到湿膜，再将湿膜放置在热处理炉中以300℃的温度预热处理5分钟，然后重复上述甩胶及预热处理过程6次得到Zn0.99Mn0.01O稀磁半导体凝胶膜。
(4)Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜层的制备
再将配置好的Pb(Zr0.53Ti0.47)O3溶胶滴在步骤(3)获得的Zn0.99Mn0.01O稀磁半导体凝胶膜表面，以1000r/min的转速匀胶8s，然后以3500r/min的转速匀胶35s，再将其放置在热处理炉中以400℃的温度预热处理5分钟，然后重复上述甩胶及预热处理过程3次得到Zn0.99Mn0.01O/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜。
(5)退火处理
最后，将Zn0.99Mn0.01O/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜于氧气氛中在620℃下退火30min。自然冷却后取出样品，得到Zn0.99Mn0.01O/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3异质结构。
实施例5：一种TiTMO2/Bi3.15Nd0.85Ti3O12氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构的制备方法，步骤如下：
(1)制备TiTMO2溶胶，其中TM为过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni或Cr
以分析纯的Ti(OC4H9)4和TM(CHCOO)x·4H2O为前驱物，将其溶于乙醇和盐酸的混合物(溶剂)中配成40ml浓度为0.5mol/l的溶液，再用磁搅拌器将该体系于85℃下搅拌6个小时，得到透明溶胶，将溶胶过滤，然后放置在恒温箱中以50℃的温度恒温1天，备用。
(2)制备Bi3.15Nd0.85Ti3O12溶胶
以分析纯的硝酸钕、硝酸铋和钛酸四丁酯作溶质，溶于冰醋酸溶剂中，用磁搅拌器在50℃下搅拌5小时，得到浓度为0.05mol/l的Bi3.15Nd0.85Ti3O12透明溶胶，将溶胶过滤，然后放置在恒温箱中以25℃的温度恒温4天，备用。
(3)TiTMO2薄膜层的制备
把Si衬底放置在匀胶机的托盘上，再将制备好的TiTMO2溶胶以1000r/min的转速先低速匀胶6s，然后以3500r/min的转速高速匀胶30s得到湿膜，再将湿膜放置在热处理炉中以300℃的温度预热处理5分钟，然后重复上述甩胶及预热处理过程6次得到TiTMO2稀磁半导体凝胶膜。
(4)Bi3.15Nd0.85Ti3O12薄膜层的制备
再将配置好的Bi3.15Nd0.85Ti3O12溶胶滴在步骤(3)获得的TiTMO2稀磁半导体凝胶膜表面，以1000r/min的转速匀胶8s，然后以3500r/min的转速匀胶35s，再将其放置在热处理炉中以400℃的温度预热处理5分钟，然后重复上述甩胶及预热处理过程3次得到TiTMO2/Bi3.15Nd0.85Ti3O12薄膜。
(5)退火处理
最后，将TiTMO2/Bi3.15Nd0.85Ti3O12薄膜于氧气氛中在700℃下退火20min。自然冷却后取出样品，得到TiTMO2/Bi3.15Nd0.85Ti3O12异质结构。
实施例6：一种ZnTMO/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备ZnTMO溶胶，其中TM为过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni或Cr
以分析纯的Zn(CHCOO)2·2H2O和TM(CHCOO)x·4H2O为前驱物，将其溶于乙二醇甲醚和二乙醇胺的混合物(溶剂)中配成60ml浓度为0.45mol/l的溶液，其中二乙醇胺与锌的摩尔比为1∶1，再用磁搅拌器将该体系于95℃下搅拌5个小时，得到透明溶胶，将溶胶过滤，然后放置在恒温箱中以50℃的温度恒温2天，备用。
(2)制备Pb(Zr0.53Ti0.47)O3溶胶
所使用的原料为分析纯的乙酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯，按锆、钛摩尔比为53∶47将原料溶于乙二醇单甲醚溶剂中，用磁搅拌器在45℃下搅拌6小时，得到浓度为0.25mol/l的Pb(Zr0.53Ti0.47)O3透明溶胶，将溶胶过滤，然后放置在恒温箱中以25℃的温度恒温4天，备用。
(3)ZnTMO薄膜层的制备
把Si衬底放置在匀胶机的托盘上，再将制备好的ZnTMO溶胶以1000r/min的转速先低速匀胶5s，然后以3500r/min的转速高速匀胶32s得到湿膜，再将湿膜放置在热处理炉中以350℃的温度预热处理4分钟，然后重复上述甩胶及预热处理过程5次得到ZnTMO稀磁半导体凝胶膜。
(4)Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜层的制备
再将配置好的Pb(Zr0.53Ti0.47)O3溶胶滴在步骤(3)获得的ZnTMO稀磁半导体凝胶膜表面，以1000r/min的转速匀胶8s，然后以3500r/min的转速匀胶35s，再将其放置在热处理炉中以400℃的温度预热处理5分钟，然后重复上述甩胶及预热处理过程2次得到ZnTMO/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜。
(5)退火处理
最后，将ZnTMO/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜于氧气氛中在650℃下退火25min。自然冷却后取出样品，得到ZnTMO/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3异质结构。
实施例7：一种SnTMO2/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备SnTMO2溶胶，其中TM为过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni或Cr
以分析纯的Sn(CHCOO)4·2H2O和TM(CHCOO)x·4H2O为前驱物，将其溶于乙二醇甲醚和二乙醇胺的混合物(溶剂)中配成30ml浓度为0.45mol/l的溶液，其中二乙醇胺与锡的摩尔比为1∶1，再用磁搅拌器将该体系于95℃下搅拌4个小时，得到透明溶胶，将溶胶过滤，然后放置在恒温箱中以40℃的温度恒温1天，备用。
(2)制备Pb(Zr0.53Ti0.47)O3溶胶
所使用的原料为分析纯的乙酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯，按锆、钛摩尔比为53∶47将原料溶于乙二醇单甲醚溶剂中，用磁搅拌器在50℃下搅拌5小时，得到浓度为0.25mol/l的Pb(Zr0.53Ti0.47)O3透明溶胶，将溶胶过滤，然后放置在恒温箱中以25℃的温度恒温3天，备用。
(3)SnTMO2薄膜层的制备
把Si衬底放置在匀胶机的托盘上，再将制备好的SnTMO2溶胶以1000r/min的转速先低速匀胶7s，然后以3500r/min的转速高速匀胶30s得到湿膜，再将湿膜放置在热处理炉中以300℃的温度预热处理5分钟，然后重复上述甩胶及预热处理过程5次得到SnTMO2稀磁半导体凝胶膜。
(4)Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜层的制备
再将配置好的PZT溶胶滴在步骤(3)获得的SnTMO2稀磁半导体凝胶膜表面，以1000r/min的转速匀胶8s，然后以3500r/min的转速匀胶35s，再将其放置在热处理炉中以400℃的温度预热处理5分钟，然后重复上述甩胶及预热处理过程2次得到SnTMO2/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜。
(5)退火处理
最后，将SnTMO2/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜于氧气氛中在750℃下退火30min。自然冷却后取出样品，得到SnTMO2/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3异质结构。
实施例8：一种TiTMO2/Ba0.6Sr0.4TiO3氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备TiTMO2溶胶，其中TM为过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni或Cr
以分析纯的Ti(OC4H9)4和TM(CHCOO)x·4H2O为前驱物，将其溶于乙醇和盐酸的混合物(溶剂)中配成40ml浓度为0.45mol/l的溶液，再用磁搅拌器将该体系于90℃下搅拌5个小时，得到透明溶胶，将溶胶过滤，然后放置在恒温箱中以45℃的温度恒温2天，备用。
(2)制备Ba0.6Sr0.4TiO3溶胶
以分析纯的乙酸钡、乙酸锶和钛酸四丁酯作溶质，溶于冰醋酸溶剂中，用磁搅拌器在85℃下搅拌5小时，得到浓度为0.1mol/l的Ba0.6Sr0.4TiO3透明溶胶，将溶胶过滤，然后放置在恒温箱中以25℃的温度恒温4天，备用。
(3)TiTMO2薄膜层的制备
把Si衬底放置在匀胶机的托盘上，再将制备好的TiTMO2溶胶以1000r/min的转速先低速匀胶5s，然后以3500r/min的转速高速匀胶32s得到湿膜，再将湿膜放置在热处理炉中以350℃的温度预热处理4分钟，然后重复上述甩胶及预热处理过程5次得到TiTMO2稀磁半导体凝胶膜。
(4)Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜层的制备
再将配置好的Ba0.6Sr0.4TiO3溶胶滴在步骤(3)获得的TiTMO2稀磁半导体凝胶膜表面，以1000r/min的转速匀胶6s，然后以3500r/min的转速匀胶35s，再将其放置在热处理炉中以450℃的温度预热处理4分钟，然后重复上述甩胶及预热处理过程2次得到TiTMO2/Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜。
(5)退火处理
最后，将TiTMO2/Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜于氧气氛中在750℃下退火30min。自然冷却后取出样品，得到TiTMO2/Ba0.6Sr0.4TiO3异质结构。
实施例9：如图1所示，一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构，其特征在于，由如下三层结构组成：底层为衬底，中层为氧化物稀磁半导体薄膜，上层为铁电体薄膜。
所述的衬底为Si、蓝宝石和SrRuO3或其它钙钛矿氧化物衬底；所述的氧化物稀磁半导体薄膜为宽禁带氧化物ZnO、TiO2或SnO2薄膜，掺杂有过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni或Cr；所述的铁电体薄膜为锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3，简称PZT)、钛酸钕铋((Bi，Nd)4Ti3O12，简称BNT)或钛酸锶钡((Ba，Sr)TiO3，简称BST)薄膜。
图4为实施例1中薄膜样品(引出底电极和顶电极后)当分别加上+10V和-10V的电压使铁电层极化后样品的磁性图，其中横轴表示磁场强度，纵轴表示磁化强度。由图中看出，当在样品上加上正电压(+10V)使铁电层正向极化后，氧化锌基稀磁半导体显示磁滞回线1(带方点的曲线)；当在样品的铁电层上加上负电压(-10V)使铁电层反向极化后，氧化锌基稀磁半导体显示磁滞回线2(带三角形点的曲线)，两回线的饱和磁化强度相差很大，可代表不同的铁磁状态。
图5为实施例2中薄膜样品(引出底电极和顶电极后)当分别加上+8V和-8V的电压时使铁电层极化后样品的磁性图，其中横轴表示磁场强度，纵轴表示磁化强度。由图中看出，当在样品上加上正电压(+8V)使铁电层正向极化后，二氧化锡基稀磁半导体显示磁滞回线1(带方点的曲线)；当在样品的铁电层上加上负电压(-8V)使铁电层反向极化后，二氧化锡基稀磁半导体显示磁滞回线2(带三角形点的曲线)，两回线的饱和磁化强度相差很大，可代表不同的铁磁状态。
以上实施例旨在充分说明本发明的具体实施方式，并非对本发明的进一步限定。

Claims (7)

1.一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构，其特征在于，由如下三层结构组成：底层为衬底，中层为氧化物稀磁半导体薄膜，上层为铁电体薄膜；所述的衬底为Si、蓝宝石衬底；所述的铁电体薄膜为锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡薄膜；所述的氧化物稀磁半导体薄膜为ZnO、TiO2或SnO2薄膜，掺杂有过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni或Cr。
2.如权利要求1所述的一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构，其特征在于：掺杂元素的摩尔浓度在0.1％～13％之间。
3.制备一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)靶材和衬底安装
在真空腔中，将掺杂有过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni或Cr的ZnO、TiO2或SnO2靶材和锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡靶材安装于多靶材架上，将衬底安装在衬底架上，使激光束的方向对准具有掺杂元素的ZnO、TiO2或SnO2靶材；
2)抽真空
3)激光镀膜
往真空腔内通入氧气，对衬底加热；使激光束辐照在具有掺杂元素的ZnO、TiO2或SnO2靶材上，对衬底进行镀膜，得到具有掺杂元素的ZnO、TiO2或SnO2氧化物稀磁半导体薄膜；然后把锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡铁电体靶材转到激光照射的靶位，在氧化物稀磁半导体薄膜上进行铁电体薄膜层沉积，得到氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构。
4.如权利要求3所述的制备一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构的方法，其特征在于：所述步骤3)中，对衬底加热的温度为500℃～800℃。
5.如权利要求3所述的制备一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构的方法，其特征在于：步骤3)中的所述真空腔内的氧气压强为1.0Pa～30Pa。
6.制备一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备ZnTMO、SnTMO2或TiTMO2溶胶，其中TM为过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni或Cr；
以分析纯的Zn(CHCOO)2·2H2O或Sn(CHCOO)4·2H2O和TM(CHCOO)x·4H2O为前驱物，将其溶于乙二醇甲醚和二乙醇胺的混合物溶剂中，得到ZnTMO或SnTMO2透明溶胶；
或以分析纯的Ti(OC4H9)4和TM(CHCOO)x·4H2O为前驱物，将其溶于乙醇和盐酸的混合物(溶剂)中，得到TiTMO2透明溶胶；
再将所得透明溶胶过滤，然后放置在恒温箱中，备用；
2)制备锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡溶胶
以分析纯的乙酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯作溶质，溶于乙二醇单甲醚溶剂中，得到锆钛酸铅透明溶胶；
或以分析纯的硝酸钕、硝酸铋和钛酸四丁酯作溶质，溶于冰醋酸溶剂中，得到钛酸钕铋透明溶胶；
或以分析纯的乙酸钡、乙酸锶和钛酸四丁酯作溶质，溶于冰醋酸溶剂中，得到钛酸锶钡透明溶胶；
再将所得透明溶胶过滤，然后放置在恒温箱中，备用；
3)ZnTMO、SnTMO2或TiTMO2薄膜层制备
利用匀胶机通过甩胶旋涂的工艺将制备好的ZnTMO、SnTMO2或TiTMO2溶胶均匀地涂敷在衬底上得到湿膜，再将湿膜放置在热处理炉中预热处理，然后重复上述甩胶及预热处理过程得到氧化物稀磁半导体凝胶膜；
4)锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡薄膜层的制备
将配置好的锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡溶胶在步骤3)获得的氧化物稀磁半导体凝胶膜上继续旋涂和预热处理过程得到锆钛酸铅、钛酸钕铋或钛酸锶钡薄膜层；
5)退火处理
将4)所得薄膜于氧气氛中在一定温度下退火一段时间，冷却后得到氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构。
7.如权利要求6所述的制备一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构的方法，其特征在于，所述步骤5)中，退火温度为500℃～800℃，退火时间为5min～60min。
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