CN104801720B - 一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法，先用湿化学法制备得到Co2FeAl哈斯勒合金颗粒，再用该合金颗粒在纯度为99.99％的Ar气保护下，在真空管式炉内生长为Co2FeAl哈斯勒合金纳米线。采用本发明方法制备出的Co2FeAl纳米线具有高自旋极化率和高居里温度，将制备得到的Co2FeAl纳米线应用于自旋阀多层膜结构以及自旋电子的检测，能够获得更高的磁电阻效应，满足高灵敏度和存储密度的磁传感器和磁存储器的使用要求；且本发明方法不需要大型仪器设备、也无需控制难以精确控制的复杂工艺参数，因此该方法制备工艺简单、成本低、效率高，且制备得到的Co2FeAl纳米线结构良好、重复性好，便于规模化制备。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料技术领域，具体地说，本发明涉及一种半金属Heusler（哈斯勒）合金材料，更具体的说，本发明涉及一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法及其用途。
背景技术
电子具有电荷和自旋两个内禀属性，以往的研究只是涉及利用了电子的电荷特性，近些年来，随着自旋电子学的发展，人们发现稀磁半导体能够同时利用电子的电荷和自旋来进行信息的处理和存储。但关键问题是自旋极化电子注入到半导体材料中的效率很低。因此，从材料研究者角度讲，搜寻这种单一自旋的材料或者具有高自旋极化率的材料显得尤为重要。其中一类最为重要的材料是所谓的“半金属材料” ，半金属是一种自旋取向的电子( 设定为自旋向上的电子) 的能带结构呈现金属性，即Fermi 面处于导带中，具有金属的行为；而另一自旋取向的电子( 设定为自旋向下的电子) 呈现绝缘体性质或半导体性质，所以半金属材料是以两种自旋电子的行为不同( 即金属性和非金属性) 为特征的新型功能材料。因为半金属这种特殊的能带结构，使得半金属(half-metallic)铁磁体有着较高的居里温度和理论上接近100％的高自旋极化率。因此，半金属成为众多研究者重点关注的一种材料，无疑将会成为理想的半导体自旋电子注入源。
从结构上可以将半金属材料分为尖晶石结构型半金属材料，如：Fe3O4等；钙态矿结构及双钙态矿结构型半金属，如：La2 ／ 3Srl ／ 3Mn03，La0 ． 7Sr03Mn04等；金红石结构型半金属，其中，Co-基的哈斯勒（Heusler）合金 Co2YZ因其特殊的结构而成为重要的研究对象。Co-基半金属Heusler合金材料具有的磁学性质及其高自旋极化率的性质主要适用于制作自旋电子器件，包括自旋阀（Spin Value，SPV）和磁性隧道结（Magnetic Tunneling
Junction，MTJ）。对于Co-基的Heusler合金而言，人们从开始对其进行研究至今，基本都是采用磁控溅射技术制制备而成，例如，申请号为02128681.7公开了一种用共溅射法沉积具有X2YZ或XYZ结构的赫斯勒合金薄膜；申请号为200910081790.X的专利也公开了利用磁控溅射仪制备半金属合成反铁磁结构，虽然采用该方法能够得到结构良好的合金薄膜，对该领域的研究工作也奠定了一定的基础，但是，利用磁控溅射方法所需的成本很高，且利用该方法制备Heusler合金的过程中需同时精确控制磁控溅射沉积装置的温度、真空度、气压等工艺参数，溅射沉积条件苛刻，是一种比较复杂、成本很高的方法。现有技术中也有采用其他方法制备Co-基Heusler合金的，例如兰州大学左亚路、席力等人均以氯化钴、硝酸铁和硫酸铝为原料采用共沉淀法制备得到了Co2FeAl合金颗粒，得到了具有良好B2结构取向的纳米颗粒。虽然采用该湿化学共沉淀法很大程度上降低了成本，得到了具有良好结构的合金颗粒，但是在制备过程中沉淀剂的加入可能会使反应物局部浓度过高，发生团聚，使得产物Co2FeAl合金颗粒尺寸不均匀，影响产物最终的使用性能。
纳米线是纳米技术的一个重要组成部分，具有其它大块材料所没有的独特的物理化学特性，如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，使其在量子器件、纳电子器械、场发射器和生物分子纳米感应器等领域具有广泛的应用前景，因此制备Co-基的 Heusler合金纳米线对于自旋电子的检测、制作自旋电子器件都将起到巨大的推动作用。2014年4月Anjali Yadav与Sujeet Chaudhary报道的半金属Co2FeAl合金是通过直流脉冲控制的磁控溅射的方式在Si衬底上同时溅射Co、Fe、Al靶材而形成的，通过改变施加在不同靶材上的直流功率优化CFA（Co2FeAl，简称CFA）合金薄膜的化学计量以及通过X射线能谱法调控CFA合金薄膜的化学成分，通过这样的方法得到结构性能良好的CFA合金薄膜（Structural and dynamical
magnetic response of co-sputtered Co2FeAl heusler alloy thin films
grown at different substrate temperatures,2014,115(13), JOURNAL OF APPLIED
PHYSICS）。但是这种方法存在成本高，过程繁琐以及工艺条件难以控制等缺点。而且采用电子束曝光等微加工手段将制备得到的CFA薄膜再加工成CFA纳米线也存在工艺复杂以及参数条件难以控制、成本高等缺点。
综上所述，亟待开发出一种工艺简单、成本低、效率高的制备具有良好结构的Co2FeAl 哈斯勒合金纳米线的新方法。
发明内容
为克服现有技术存在的不足，为Co2FeAl 哈斯勒合金纳米线的制备开辟新途径，本发明的目的在于提供一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法，该方法不需要大型仪器设备、也无需控制难以精确控制的复杂工艺参数，因此该方法制备工艺简单、成本低、效率高，且制备得到的Co2FeAl纳米线结构良好、重复性好，便于规模化制备。本发明的另一目的还在于提供一种通过上述方法制备得到的Co2FeAl纳米线的应用，该Co2FeAl纳米线可应用于自旋阀多层膜结构以及自旋电子的检测。
为了实现本发明的第一个目的，采用如下技术方案：
一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：制备催化Co2FeAl哈斯勒合金颗粒用催化剂：取1cm×1cm的Si（100）片作为衬底，先用质量百分比浓度为2～5％的HF溶液浸蚀30～50s，然后用去离子水冲洗干净后再分别在丙酮和酒精溶液中用超声波清洗2～3min，得到洁净的Si片衬底，然后在Si片上蒸镀一层金膜作为催化剂；
步骤二：将纯净的Co2FeAl哈斯勒合金颗粒装在氧化铝方舟中，放在管式炉的恒温中心位置，将步骤一蒸镀有金膜催化剂的Si片衬底放在距Co2FeAl源气路下游15cm的位置，所述管式炉升温速率为10～20℃/min，当Co2FeAl源温度上升到2000℃时向管式炉中通入纯度为99.99％的Ar气，Ar气流量为40sccm，所述管式炉温度保持在2200℃，此时Si片衬底温度为700℃，炉管内的真空度保持在1.99×104Pa，沉积时间30～40min，自然冷却后取出Si衬底，Si衬底上得到的产物即为Co2FeAl纳米线。
进一步地，上述方案步骤一在Si片上蒸镀的金膜的厚度为10nm。
进一步地，上述方案步骤二制备得到的Co2FeAl纳米线直径为80～100nm，长度为几十到几百微米不等。
进一步地，上述方案所述的Co2FeAl哈斯勒合金颗粒由如下方法制备而成，包括如下步骤：
（1）按氯化钴、硝酸铁、硫酸铝的摩尔比例为4：2：1，分别称取氯化钴、硝酸铁和硫酸铝原料备用；
（2）将步骤（1）中称取好的氯化钴、硝酸铁和硫酸铝原料依次溶于去离子水中制成均匀透明的混合溶液，并用玻璃棒不断搅拌；
（3）称取一定量的NaOH固体颗粒溶于去离子水中，配制NaOH溶液，然后将所述NaOH溶液逐滴加入到步骤（2）不断搅拌着的均匀透明混合溶液中，随着NaOH溶液的加入，透明混合溶液逐渐变浑浊，溶液中出现浑浊物并逐渐增多，在整个反应过程中用PH计检测混合溶液的PH值，直至混合溶液的PH值到达到7时立刻停止滴加NaOH溶液，得到粘稠状混合物；
（4）将步骤（3）得到的粘稠状混合物置于烘箱或真空干燥箱中在80℃下烘烤5h，得到固体样品，然后将得到的固体样品研磨粉碎，得到粉末样品；
（5）将步骤（4）得到的粉末样品在H2气与Ar气混合气体气氛下退火处理17h，其中，退火温度为650～700℃，混合气体中H2气的体积占5%，Ar气体积占95%，得到纯净的Co2FeAl哈斯勒合金颗粒。
进一步地，步骤（1）所述氯化钴为纯度为99%的CoCl2·6H2O，所述硝酸铁为纯度为99% Fe(NO3)3·9H2O，所述硫酸铝为纯度为98%的Al2(SO4)3·18H2O。
进一步地，从制得的Co2FeAl哈斯勒合金颗粒样品的纯度角度考虑，步骤（2）所述混合溶液中溶剂去离子水的体积与溶质氯化钴、硝酸铁、硫酸铝的总质量的配比优选为100ml：0.8088g。
进一步地，步骤（3）所述NaOH固体颗粒与步骤（1）所述氯化钴原料的摩尔比例为5：1。
为了实现本发明的第二个目的，本发明将通过上述方法制备得到的Co2FeAl纳米线应用于自旋阀多层膜结构。
本发明提供的一种简易自旋阀器件，由衬底、非磁性层、铁磁层三层结构组成，所述衬底往上第一层为非磁性层，所述非磁性层往上一层为铁磁层，所述衬底优选为MgO基片，所述非磁性层优选为Ag薄膜，所述铁磁层由本发明上述制备得到的Co2FeAl纳米线组成。
进一步优选地，所述非磁性层Ag薄膜的厚度为20～200nm，Ag薄膜的宽度为50 nm，所述铁磁层由平行放置的间距为200nm的Co2FeAl纳米线组成。
将采用本发明方法制备得到的高自旋极化率和高居里温度的Co2FeAl纳米线作为磁性层，能够使自旋阀器件的磁翻转场降低，磁电阻率和热稳定性提高，进而使器件具有更高存储密度的可能。
与现有技术相比，本发明方法具有以下优点：（1）为Co2FeAl 哈斯勒合金纳米线的制备开辟新途径，制备出的Co2FeAl纳米线具有高自旋极化率和高居里温度，将制备得到的Co2FeAl纳米线应用于自旋阀多层膜结构以及自旋电子的检测，能够获得更高的磁电阻效应，满足高灵敏度和存储密度的磁传感器和磁存储器的使用要求；（2）本发明提供的一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法，该方法不需要大型仪器设备、也无需控制难以精确控制的复杂工艺参数，因此该方法制备工艺简单、成本低、效率高，且制备得到的Co2FeAl纳米线结构良好、重复性好，便于规模化制备。
附图说明
图1为本发明实施例中制备得到的纯净的Co2FeAl哈斯勒合金颗粒的XRD图谱；
图2为本发明实施例中制备得到的Co2FeAl纳米线的SEM图谱；
图3为本发明实施例中制备得到的两条Co2FeAl纳米线相距200nm时检测到的自旋信号图；
图4为本发明实施例中所制备得到的简易自旋阀器件的基本结构图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案做进一步详细介绍，但本发明的保护范围并不仅仅局限于下面的实施例：
实施例
本实施例的一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法，其具体步骤如下：
（1）分别称取2.855g（12mmol）纯度为99%的CoCl2·6H2O、2.424g（6mmol）纯度为99%的Fe(NO3)3·9H2O、1.999g（3mmol）纯度为98%的Al2(SO4)3·18H2O，三种原料备用；
（2）将步骤（1）中所述的称取好的氯化钴、硝酸铁和硫酸铝原料溶于900ml去离子水中制成均匀透明的混合溶液，并用玻璃棒不断搅拌；
（3）称取2.4g NaOH固体颗粒溶于100ml去离子水中，配制NaOH溶液，然后将所述NaOH溶液逐滴加入到步骤（2）所述的不断搅拌着的均匀透明混合溶液中，随着NaOH溶液的加入，透明混合溶液逐渐变浑浊，溶液中出现浑浊物并逐渐增多，在整个反应过程中用PH计检测混合溶液的PH值，直至混合溶液的PH值到达到7时立刻停止滴加NaOH溶液，得到粘稠状混合物；
（4）将步骤（3）所述得到的粘稠状混合物置于烘箱中在80℃下烘烤5h，得到固体样品，然后将得到的固体样品研磨粉碎，得到粉末样品；
（5）将步骤（4）所述得到的粉末样品在H2气与Ar气混合气体气氛下退火处理17h，其中，退火温度为650℃，混合气体中H2气的体积占5%，Ar气体积占95%，得到纯净的Co2FeAl哈斯勒合金颗粒；
（6）制备催化Co2FeAl哈斯勒合金颗粒用催化剂：取1cm×1cm的Si（100）片作为衬底，先用质量百分比浓度为2％的HF溶液浸蚀50s，然后用去离子水冲洗干净后再分别在丙酮和酒精溶液中用超声波清洗3min，得到洁净的Si片衬底，然后在Si片上蒸镀一层厚度为10nm的金膜作为催化剂；
（7）将步骤（5）所述制得的纯净的Co2FeAl哈斯勒合金颗粒装在氧化铝方舟中，放在管式炉的恒温中心位置，将步骤（6）所述蒸镀有10nm厚金膜催化剂的Si衬底放在距Co2FeAl源气路下游15cm的位置，所述管式炉升温速率为10℃/min，当Co2FeAl源温度上升到2000℃时向管式炉中通如纯度为99%的Ar气，Ar气流量为40sccm，所述管式炉温度保持在2200℃，此时Si片衬底温度为700℃，炉管内的真空度保持在1.99×104Pa，沉积时间30min，自然冷却后取出Si衬底，Si衬底上得到的产物即为Co2FeAl纳米线。图1为得到的合金颗粒的XRD图谱，证明所得合金颗粒为Co2FeAl哈斯勒合金颗粒，图2为得到的产物的场发射扫描电镜照片，显示产物为线状结构。经测算，所述制备得到的Co2FeAl纳米线直径为80～100nm，长度为几十到几百微米不等。
本实施例还提供一种简易自旋阀器件，如图4所述，所述自旋阀器件由MgO衬底层、Ag薄膜层、铁磁层三层结构组成，MgO衬底层往上一层为Ag薄膜，所述Ag薄膜往上一层为铁磁层，所述铁磁层由上述实施例制备得到的Co2FeAl纳米线组成。所述Ag薄膜的厚度为20nm，Ag薄膜的宽度为50 nm，所述铁磁层有平行排列的间距为200nm的Co2FeAl纳米线组成。如图3所述为上述简易自旋阀器件中当两条Co2FeAl纳米线相距200nm时检测到的自旋信号图，结果显示，该自旋阀器件具有高自旋极化率。
将上述高自旋极化率和高居里温度的Co2FeAl纳米线作为磁性层，能够使器件的磁翻转场降低，磁电阻率和热稳定性提高，进而使自旋阀器件具有更高存储密度的可能。
应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：制备催化Co2FeAl哈斯勒合金颗粒用催化剂：取1cm×1cm的Si（100）片作为衬底，先用质量百分比浓度为2～5％的HF溶液浸蚀30～50s，然后用去离子水冲洗干净后再分别在丙酮和酒精溶液中用超声波清洗2～3min，得到洁净的Si片衬底，然后在Si片上蒸镀一层金膜作为催化剂；
步骤二：将纯净的Co2FeAl哈斯勒合金颗粒装在氧化铝方舟中，放在管式炉的恒温中心位置，将步骤一蒸镀有金膜催化剂的Si片衬底放在距Co2FeAl源气路下游15cm的位置，所述管式炉升温速率为10～20℃/min，当Co2FeAl源温度上升到2000℃时向管式炉中通入纯度为99.99％的Ar气，Ar气流量为40sccm，所述管式炉温度保持在2200℃，此时Si片衬底温度为700℃，炉管内的真空度保持在1.99×104Pa，沉积时间30～40min，自然冷却后取出Si衬底，Si衬底上得到的产物即为Co2FeAl纳米线。
2.如权利要求1所述的一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法，其特征在于： 步骤一在Si片上蒸镀的金膜的厚度为10nm。
3.如权利要求1所述的一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法，其特征在于：步骤二制备得到的Co2FeAl纳米线直径为80～100nm，长度为几十到几百微米。
4.如权利要求1或2或3所述的一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法，其特征在于：所述的Co2FeAl哈斯勒合金颗粒由如下方法制备而成，包括如下步骤：
（1）按氯化钴、硝酸铁、硫酸铝的摩尔比例为4：2：1，分别称取氯化钴、硝酸铁和硫酸铝原料备用；
（2）将步骤（1）中称取好的氯化钴、硝酸铁和硫酸铝原料依次溶于去离子水中制成均匀透明的混合溶液，并用玻璃棒不断搅拌；
（3）称取一定量的NaOH固体颗粒溶于去离子水中，配制NaOH溶液，然后将所述NaOH溶液逐滴加入到步骤（2）不断搅拌着的均匀透明混合溶液中，随着NaOH溶液的加入，透明混合溶液逐渐变浑浊，溶液中出现浑浊物并逐渐增多，在整个反应过程中用PH计检测混合溶液的PH值，直至混合溶液的PH值到达到7时立刻停止滴加NaOH溶液，得到粘稠状混合物；
（4）将步骤（3）得到的粘稠状混合物置于烘箱或真空干燥箱中在80℃下烘烤5h，得到固体样品，然后将得到的固体样品研磨粉碎，得到粉末样品；
（5）将步骤（4）得到的粉末样品在H2气与Ar气混合气体气氛下退火处理17h，其中，退火温度为650～700℃，混合气体中H2气的体积占5%，Ar气体积占95%，得到纯净的Co2FeAl哈斯勒合金颗粒。
5.如权利要求4所述的一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法， 其特征在于：步骤（1）所述氯化钴为纯度为99%的CoCl2·6H2O，所述硝酸铁为纯度为99% Fe(NO3)3·9H2O，所述硫酸铝为纯度为98%的Al2(SO4)3·18H2O。
6.如权利要求4所述的一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述混合溶液中溶剂去离子水的体积与溶质氯化钴、硝酸铁、硫酸铝的总质量的配比为100ml：0.8088g。
7.如权利要求4所述的一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述NaOH固体颗粒与步骤（1）所述氯化钴原料的摩尔比例为5：1。
8.一种自旋阀器件，其特征在于：所述器件由衬底、非磁性层、铁磁层三层结构组成，所述衬底往上第一层为非磁性层，所述非磁性层往上一层为铁磁层，所述铁磁层由上述任一项权利要求所述方法制备得到的Co2FeAl纳米线组成。
9.如权利要求8所述的一种自旋阀器件，其特征在于：所述衬底为MgO基片，所述非磁性层为Ag薄膜，所述Ag薄膜的厚度为20～200nm，宽度为50 nm，所述铁磁层由平行放置的间距为200nm的Co2FeAl纳米线组成。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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