CN102230212B - 一种制备氧化锌掺铜室温磁性半导体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备氧化锌掺铜室温磁性半导体的方法，采用纯度为99％的分析纯ZnO粉末和纯度为99％的分析纯CuO粉末为原料进行混合研磨，然后将材料压制成片状或者不压片，并采用特有的烧结工艺，在高温电阻炉里进行大气氛围下的固相反应，完成室温磁性半导体的制备。本发明的制备方法具有工艺简化，无需用球磨机研磨、选用的制备工具和原材料低廉、产量大、填充性好、人工费用低，产品具有良好室温铁磁性能。

Description

一种制备氧化锌掺铜室温磁性半导体的方法
技术领域
本发明涉及一种制备氧化锌掺铜室温磁性半导体的方法。属于新型半导体自旋电子器件材料制备领域。
背景技术
近年来，磁性半导体由于将半导体的载流子电荷和电子间的自旋耦合集中在同一种材料中，突破以往半导体产业的局限，产生了新的铁磁、磁电等性质。作为在下一代微电子器件研制中的一个重要发展方向，引起产业界极大的兴趣，迅速成为新型材料学中的前沿热点之一。氧化物磁性半导体是最有希望生产出室温条件下的本征磁性半导体的一类新型材料。因此，ZnO基氧化物磁性半导体具有十分重要的研究价值和广阔的应用前景。
目前对ZnO基氧化物磁性半导体的研究较为广泛，对ZnO掺杂铜的研制也有进展，一些研究成果已经发现ZnO掺杂铜的样品具有高于室温的铁磁性。样品的制备方法主要为磁控溅射法、脉冲激光沉积法、柠檬酸盐法等。但是存在问题是：不同制备方法获得的ZnO掺杂铜材料磁性能不同。由此可见，要获得稳定的ZnO掺杂铜室温铁磁性半导体与制备方法、工艺密切相关，而固相反应法用于制备氧化锌掺铜室温磁性半导体还未见文献、专利报道。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种制备氧化锌掺铜室温磁性半导体的方法。本发明的制备方法具有工艺简化，无需用球磨机研磨、选用的制备工具和原材料低廉、产量大、填充性好、人工费用低，产品具有良好室温铁磁性能。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种制备氧化锌掺铜室温磁性半导体的方法，采用纯度为99％的分析纯ZnO粉末和纯度为99％的分析纯CuO粉末为原料进行混合研磨，然后将材料压制成片状或者不压片，并采用特有的烧结工艺，在高温电阻炉里进行大气氛围下的固相反应，完成室温磁性半导体的制备。
所述的原料中Cu和Zn的摩尔比为(0.08-0.16)∶(0.92-0.84)。
所述的材料压制成片状，需要良好半导体导电性能时，采用的原料中Cu和Zn的摩尔比优选为0.16∶0.84；所述的材料不压片时，采用的原料中Cu和Zn的摩尔比优选为0.08∶0.92。
所述的压制成片的工艺包括如下步骤：
①在混合后的原料样品粉末中添加浓度为5％的聚乙烯醇溶液粘结剂，再搅拌，碾磨均匀样品粉末；
②将搅拌均匀的样品粉末放入模具当中，轻轻抖动模具，使模具中的粉末分布均匀；
③将模具放到粉末压片机上，顺时针拧紧放油阀，匀速摇动杠杆，直到压力计指示到40Mpa为止；
④放置10分钟后，逆时针拧松放油阀，将模具取出；
⑤把模具倒转180度，放到粉末压片机上，在模具上依次放一桶状模具和垫片，顺时针拧紧放油阀，匀速摇动杠杆，直到样品被顶出模具，逆时针拧松放油阀，将模具及片状样品取出。
所述的烧结工艺包括如下步骤：
①在大气氛围下烧结；
②控制好烧结的温度变化，在烧制过程中，温度从常温开始，以不超过3℃/分钟的速度，升温至1150℃，烧结总时间在50小时；
③烧结完成后获得室温磁性半导体。
本发明的有益效果为：采用固相反应法制备成功获得粉状、片状的CuxZn1-xO(X为摩尔比)室温磁性半导体材料的方法工艺简化，不用球磨机研磨原材料环节，选用的制备工具、原材料低廉、产量大、填充性好、人工费用低，片状材料具有良好半导体导电性能；可以大量生产。其次烧结气氛环境要求简单，在大气下即可，生产成本低廉；而且本制备方法生产的CuxZn1-xO粉状、片状材料具有良好的本征磁性半导体特征，无Cu、Cu氧化物颗粒存在(见图1所示)；具有室温下的铁磁性能(见图2所示)；且片状材料还具有良好的半导体导电性能，载流子浓度约为1015cm-3。本发明的新型磁性半导体材料可用于脉冲激光沉积法、溅射法等镀膜制备室温铁磁性CuxZn1-xO薄膜的靶材，也可用于需要填充使用室温铁磁性半导体材料粉末的地方。
附图说明
图1为本发明固相反应法制备的CuxZn1-xO材料的XRD图谱；图1中横坐标指2θ角度，纵坐标指衍射强度。
图2为本发明实施例1中利用振动样品磁强计(VSM)在室温下(300K)测得的CuxZn1-xO材料的磁化曲线图；图2中横坐标指外磁场强度H，纵坐标指质量磁化强度σ。
图3为本发明实施例3中利用振动样品磁强计(VSM)在室温下(300K)测得的CuxZn1-xO材料的磁化曲线图；图3中横坐标指外磁场强度H，纵坐标指质量磁化强度σ。
具体实施方式
实施例1
制备粉末状的室温铁磁性半导体Cu0.08Zn0.92O材料
将经过物相分析、磁性质检测合格的分析纯ZnO(99％)粉末和分析纯CuO(99％)粉末，按照Cu∶Zn摩尔比为0.08∶0.92通过电子天平进行称量、混合、用玛瑙研钵进行研磨，使得氧化锌和氧化铜均匀混合。(CuO∶ZnO的摩尔比为0.08∶0.92，那么称量的CuO∶ZnO的质量比为(0.08*79.54)∶(0.92*81.37)＝6.36∶74.86。)
把充分混合的样品放入坩埚，置于高温电阻炉里进行大气氛围下的固相反应，要控制好烧结的温度变化，在烧制过程中，温度不能升得过快(不超过3℃/分钟)，多设温度平台。温度设置从常温至1150℃之间，烧结总时间在50小时。完成粉末状的CuxZn1-xO(X＝0.08)室温磁性半导体的制备。待高温炉温度冷却到100℃以下，取出Cu0.08Zn0.92O样品，使用X射线衍射仪(XRD)测量样品的微观结构特征、物相分析成分、以及晶粒尺寸大小。图1为样品的X射线衍射图谱，如图1所示，Cu0.08Zn0.92O材料呈六角晶体纤锌矿结构，图中仅有ZnO的衍射峰，未发现Cu、Cu的氧化物的衍射峰，表明Cu离子进入Zn离子的晶格中。该材料属于本征磁性半导体。利用振动样品磁强计(VSM)测量样品的磁性质，见图2。如图2所示，Cu0.08Zn0.92O材料具有室温铁磁性，经计算，Cu0.08Zn0.92O材料中Cu离子的磁矩约为0.4uB。
实施例2
制备片状的室温铁磁性半导体Cu0.16Zn0.84O材料
将经过物相分析、磁性质检测合格的分析纯ZnO(99％)粉末和分析纯CuO(99％)粉末，按照Cu∶Zn摩尔比为0.16∶0.84通过电子天平进行称量、混合、放入玛瑙研钵，在样品粉末中添加浓度为5％的聚乙烯醇溶液粘结剂，再搅拌，研磨使得氧化锌和氧化铜均匀混合。将搅拌均匀的样品粉末放入模具当中，轻轻抖动模具，使模具中的粉末分布均匀。将模具放到粉末压片机上，顺时针拧紧放油阀，匀速摇动杠杆。直到压力计指示到40Mpa为止。放置10分钟后，逆时针拧松放油阀，将模具取出。把模具倒转180度，放到粉末压片机上，在模具上依次放一桶状模具和垫片。顺时针拧紧放油阀，匀速摇动杠杆，直到压片靶材被顶出模具。逆时针拧松放油阀，将模具及压片靶材取出。Cu0.16Zn0.84O压片放入坩埚，置于高温电阻炉里进行大气氛围下的固相反应，要控制好烧结的温度变化，在烧制过程中，温度不能升得过快(不超过3℃/分钟)，多设温度平台。温度设置从常温至1150℃之间，烧结总时间在50小时。完成片状的CuxZn1-xO(X＝0.16)室温磁性半导体的制备。待高温炉温度冷却到100℃以下，取出Cu0.16Zn0.84O样品，使用X射线衍射仪(XRD)测量样品的微观结构特征、物相分析成分、以及晶粒尺寸大小。图1为样品的X射线衍射图谱，如图1所示，Cu0.16Zn0.84O材料呈六角晶体纤锌矿结构，图中仅有ZnO的衍射峰，未发现Cu、Cu的氧化物的衍射峰，表明Cu离子进入Zn离子的晶格中。该材料属于本征磁性半导体。利用振动样品磁强计(VSM)测量样品的磁性质，测量显示Cu0.16Zn0.84O材料具有室温铁磁性，经计算，Cu0.16Zn0.84O材料中Cu离子的磁矩约为0.03uB。利用霍尔效应测量仪在室温下(300K)测得的Cu0.16Zn0.84O材料的电学参数，Cu0.16Zn0.84O材料为N型半导体，载流子浓度约为1015cm-3。
实施例3
本实施例将经过物相分析、磁性质检测合格的分析纯ZnO(99％)粉末和分析纯CuO(99％)粉末，按照Cu∶Zn摩尔比为0.12∶0.88通过电子天平进行称量、混合、用玛瑙研钵进行研磨。烧结时间为50小时。其余方法同实施例1，得到的Cu0.12Zn0.88O样品，使用X射线衍射仪(XRD)测量样品的微观结构特征、物相分析成分、以及晶粒尺寸大小可得材料也呈六角晶体纤锌矿结构，也未发现Cu、Cu的氧化物的衍射峰，表明Cu离子进入Zn离子的晶格中。该材料属于本征磁性半导体。利用振动样品磁强计(VSM)测量样品的磁性质，见图3。如图3所示，Cu0.12Zn0.88O材料具有室温铁磁性，经计算，Cu0.12Zn0.88O材料中Cu离子的磁矩约为0.02uB。
由以上实施例可得：采用本发明的方法制备获得Cu含量不同的具有室温铁磁性和N型导电性能的掺Cu氧化锌磁性半导体粉末状和片状材料。获得CuxZn1-xO室温磁性半导体最佳铁磁性能的成分比为X＝0.08。获得CuxZn1-xO室温磁性半导体电学性能的最佳成分比为X＝0.16。

Claims (1)

1.一种制备氧化锌掺铜室温磁性半导体的方法，其特征在于：采用纯度为99％的分析纯ZnO粉末和纯度为99％的分析纯CuO粉末为原料进行混合研磨，然后将材料压制成片状或者不压片，并采用特有的烧结工艺，在高温电阻炉里进行大气氛围下的固相反应，完成室温磁性半导体的制备；
所述的原料中Cu和Zn的摩尔比为(0.08-0.16)：(0.92-0.84)；
所述的压制成片的工艺包括如下步骤：
①在混合后的原料样品粉末中添加浓度为5％的聚乙烯醇溶液粘结剂，再搅拌，碾磨均匀样品粉末；
②将搅拌均匀的样品粉末放入模具当中，轻轻抖动模具，使模具中的粉末分布均匀；
③将模具放到粉末压片机上，顺时针拧紧放油阀，匀速摇动杠杆，直到压力计指示到40MPa为止；
④放置10分钟后，逆时针拧松放油阀，将模具取出；
⑤把模具倒转180度，放到粉末压片机上，在模具上依次放一桶状模具和垫片，顺时针拧紧放油阀，匀速摇动杠杆，直到样品被顶出模具，逆时针拧松放油阀，将模具及片状样品取出；
所述的烧结工艺包括如下步骤：
①在大气氛围下烧结；
②控制好烧结的温度变化，在烧制过程中，温度从常温开始，以不超过3℃/分钟的速度，升温至1150℃，烧结总时间在50小时；
③烧结完成后获得室温磁性半导体。
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