CN105470116A - 一种调控稀磁半导体材料室温磁性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调控TiO₂基稀磁半导体材料室温磁性的方法，该发明属于磁性半导体材料领域。本方法采用具有不同晶格常数的衬底或缓冲层，诱导TiO₂基薄膜材料产生晶格畸变。通过控制薄膜的晶格畸变，达到调控内部缺陷磁性耦合作用的强度和材料室温磁性的目的。选用纯的TiO₂，或者非磁性离子Al³⁺、Mg²⁺、Zn²⁺和/或磁性离子Co²⁺、Ni²⁺、Fe³⁺中的一种或几种掺杂的TiO₂作为靶材，用磁控溅射法或脉冲激光沉积法在具有不同晶格常数的衬底或缓冲层上沉积薄膜，使外延生长的TiO₂基薄膜材料的晶格产生压缩或者膨胀，以增强或减小室温磁性。衬底或缓冲层为LaAlO₃、SrTiO₃、MgO、YSZ或Si中的一种。通过该方法制备得到的稀磁半导体薄膜具有明显的室温磁性和较高的居里温度，并且可以通过改变衬底材料或缓冲层对其磁性进行调控，具有重要的应用价值。

Description

一种调控稀磁半导体材料室温磁性的方法

技术领域

本发明涉及一种调控稀磁半导体材料室温磁性的方法，属于磁性半导体领域。

技术背景

自上世纪60年代以来，微电子技术的快速发展带动了信息技术和信息产业在人类生活中的广泛应用，同时也对电子器件具备高的集成性和器件小型化方面提出了更高的要求。稀磁半导体由于其兼具半导体和磁性的特性，即在一种材料中同时具备电荷及自旋两种自由度，在磁性、磁光、磁电等方面表现出了很多新的性质，有很大潜力实现各种新型的功能器件，如高密度非易失性存储器、磁感应器和半导体电路的集成电路、光隔离器件和半导体激光器集成电路以及量子计算机等领域。针对不同的应用场合，实现对稀磁半导体室温磁性的调控，是其应用的关键。

稀磁半导体的磁性取决于缺陷的耦合作用，而影响耦合作用的主要因素包括缺陷的数量以及它们之间的耦合强度。目前，对稀磁半导体磁性调控的研究较多集中在调节缺陷浓度方面。在半导体氧化物中掺杂磁性元素Co、Ni、Fe或非磁性元素Al、Mg、Zn等，通过改变掺杂元素的浓度可以调节稀磁半导体材料中缺陷的数量，从而在一定程度上调节其室温磁性。但是，在半导体材料的晶格中掺杂元素的固溶度是有限的。例如在Co掺杂的TiO₂体系中，掺杂浓度Co％的固溶极限约为3％。因此，这一方法对薄膜磁性的调控存在较大的局限性。另一个调控磁性的思路就是调节缺陷之间耦合作用的强度。耦合程度的强弱和材料的电子结构密切相关，从实际角度较难操作。本发明提供了一种方便可行的方法，通过稀磁半导体材料的晶格畸变改变其电子结构，达到调控耦合作用强弱和材料室温磁性的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服目前稀磁半导体薄膜磁性能不高，且磁性难以有效调控的不足，提供一种调控稀磁半导体薄膜材料室温磁性的制备方法。本发明制备方法得到的薄膜具有磁性能高，磁性可调控并且方法简单易行的特点，具有极大的应用前景。

本发明选用纯TiO₂，或者非磁性离子Al³⁺、Mg²⁺、Zn²⁺和/或磁性离子Co²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺中的一种或几种掺杂的TiO₂作为靶材，通过磁控溅射法或脉冲激光沉积法在不同衬底或缓冲层上沉积TiO₂稀磁半导体薄膜。利用LaAlO₃、SrTiO₃、MgO、YSZ或Si衬底或缓冲层晶格常数和TiO₂晶格参数的差异，通过晶格失配在外延生长的TiO₂薄膜中诱导压缩(衬底材料晶格常数a_s<薄膜材料晶格常数a_f)或膨胀(a_s>a_f)的畸变。由于稀磁半导体材料的室温磁性与缺陷和/或掺杂元素之间的耦合作用密切相关，而耦合作用的强弱对耦合间距，即材料的晶格参数变化十分敏感。在稀磁半导体材料中诱导压缩的晶格畸变，会增强电子云的叠加，增大电子交换耦合作用，从而提高材料的磁性。反之，稀磁半导体材料的晶格膨胀，会减弱电子云的交叠及交换耦合作用，从而降低磁性。因此，通过改变材料的电子结构及磁性耦合作用，可以有效地控制稀磁半导体的室温磁性。

本发明在具有不同晶格常数的衬底或缓冲层上沉积TiO₂基薄膜，利用衬底或缓冲层的晶格诱导外延薄膜产生晶格畸变，改变材料的电子结构，控制磁性耦合作用的程度，从而实现对稀磁半导体材料室温磁性的调控。稀磁半导体材料晶格的膨胀或压缩将相应地降低或增强缺陷的耦合作用及材料的室温磁性。该方法操作性强，适用于多种薄膜制备工艺，制备的稀磁半导体薄膜磁性能优异，且其磁性可根据应用场合方便地调节。此外，该方法亦可与其他调节稀磁半导体磁性的方法如改变掺杂元素的种类和浓度结合以来，扩展的材料室温磁性的调节范围。

具体实施方式

实施例1：

将纯的TiO₂(99.99％)作为靶材，用磁控溅射的方法在LaAlO₃、SrTiO₃和YSZ衬底上沉积TiO₂薄膜。通过测量TiO₂薄膜的晶格参数，与TiO₂晶格常数对比计算出晶格畸变率如下表。其中，产生膨胀效应的晶格畸变率为正值，产生压缩效应的晶格畸变率为负值。获得的TiO₂薄膜具有明显的磁滞回线，说明具有室温磁性，其饱和磁化强度和矫顽力如下表所示。可见，TiO₂基薄膜中压缩或膨胀的晶格畸变可显著增强或减弱室温磁性。

实施例2：

将Ti_99.98Co_0.02O₂作为靶材，用脉冲激光沉积的方法在LaAlO₃、Si和MgO衬底上沉积Co掺杂的TiO₂薄膜。通过测量TiO₂薄膜的晶格参数，与TiO₂晶格常数对比计算出晶格畸变率如下表。制备的TiO₂薄膜具有明显的磁滞回线，说明具有室温磁性，其饱和磁化强度和矫顽力如下表所示。可见，随着TiO₂基薄膜晶格膨胀程度的增大，材料的室温磁性呈现减弱趋势。

实施例3：

将Ti_99.97Al_0.03O₂作为靶材，用磁控溅射的方法在LaAlO₃、MgO和YSZ衬底上沉积Al掺杂的TiO₂薄膜。通过测量TiO₂薄膜的晶格参数，与TiO₂晶格常数对比计算出晶格畸变率如下表。其中，产生膨胀效应的晶格畸变率为正值，产生压缩效应的晶格畸变率为负值。制备的TiO₂薄膜具有明显的磁滞回线，说明具有室温磁性，其饱和磁化强度和矫顽力如下表所示。可见，TiO₂基薄膜中压缩或膨胀的晶格畸变可显著增强或减弱室温磁性。

实施例4：

将Ti_99.96Al_0.02Ni_0.02O₂作为靶材，用脉冲激光沉积的方法在SrTiO₃、Al₂O₃和YSZ衬底上沉积Al和Ni共掺杂的TiO₂薄膜。通过测量TiO₂薄膜的晶格参数，与TiO₂晶格常数对比计算出晶格畸变率如下表。制备的TiO₂薄膜具有明显的磁滞回线，说明具有室温磁性，其饱和磁化强度和矫顽力如下表所示。可见，随着TiO₂基薄膜晶格膨胀程度的增大，材料的室温磁性呈现减弱趋势。

实施例5：

将Ti_99.95Fe_0.03Co_0.02O₂作为靶材，用磁控溅射的方法在Si、MgO和YSZ衬底上沉积Fe、Co共掺杂的TiO₂薄膜。通过测量TiO₂薄膜的晶格参数，与TiO₂晶格常数对比计算出晶格畸变率如下表。其中，产生膨胀效应的晶格畸变率为正值，产生压缩效应的晶格畸变率为负值。制备的TiO₂薄膜具有明显的磁滞回线，说明具有室温磁性，其饱和磁化强度和矫顽力如下表所示。可见，TiO₂基薄膜中压缩或膨胀的晶格畸变可显著增强或减弱室温磁性。

Claims (5)

1.一种调控稀磁半导体材料室温磁性的方法，其特征在于在具有不同晶格常数的衬底或缓冲层上外延生长TiO₂基薄膜，利用不同衬底材料或缓冲层的晶格诱导外延薄膜的晶格畸变，即通过控制薄膜晶体不同程度的压缩或膨胀，调节磁性耦合作用的程度，从而实现对稀磁半导体室温磁性的调控。

2.根据权利要求1所述的一种调控稀磁半导体材料室温磁性的方法，其特征在于所述的TiO₂基薄膜为纯TiO₂。

3.根据权利要求1所述的一种调控稀磁半导体材料室温磁性的方法，其特征在于所述的TiO₂基薄膜为非磁性离子和/或磁性离子掺杂的TiO₂薄膜，所述的非磁性离子为Al³⁺、Mg²⁺、Zn²⁺中的一种或几种，所述的磁性离子为Co²⁺、Ni²⁺、Fe³⁺中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种调控稀磁半导体材料室温磁性的方法，其特征在于所述的衬底材料或缓冲层为LaAlO₃、SrTiO₃、MgO、YSZ、Si中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种调控稀磁半导体材料室温磁性的方法，其特征在于所述外延生长方法为磁控溅射法或脉冲激光沉积法。