CN106252017B - 一种室温铁磁半导体材料MnSiP2及其制备方法和应用 - Google Patents

一种室温铁磁半导体材料MnSiP2及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种室温铁磁半导体材料MnSiP2及其制备方法和应用，该MnSiP2磁性半导体材料属于四方晶系，I‑42d空间群，晶胞参数为：a＝5.5823(3),Z＝4。制备方法包括以下步骤：(1)将Mn、Si和P一起研磨均匀，装入石英管内，抽真空后封烧石英管；(2)将石英管采用阶段性升温，再缓慢降温至室温；(3)取出结晶较好的料块，清洗干净，干燥处理，得到室温铁磁半导体材料MnSiP2。本发明首次合成了黄铜矿结构的MnSiP2磁性半导体材料，其居里温度为290K，可应用于制作自旋场效应晶体管、自旋发光二极管、自旋共振磁隧道结、光隔离器、磁传感器或非挥发存储器。

Description

一种室温铁磁半导体材料MnSiP2及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种室温铁磁半导体材料MnSiP2及其制备方法和应用，属于磁性半导体材料技术领域
背景技术
磁性半导体材料具有磁性和半导体性质，可以通过操作半导体中的电子电荷和电子自旋两个自由度进行信息的加工处理与存储，实现电子学、光子学和磁学的有机融合，可用于开发新一代的电子器件，如自旋场效应管和自旋发光二极管等，在光电子领域具有非常广泛的应用前景，从而满足信息技术的超高速、超带宽和超大容量的发展趋势。目前通过磁性元素掺杂或离子注入等手段可以获得磁性半导体材料，但是绝大多数磁性材料的居里温度(TC)远低于室温，如GaMnAs和ZnMnSe磁性材料的居里温度分别为～110和50K，无法满足实际应用的要求。因此，探索具有更高居里温度的新型磁性半导体材料具有非常重要的意义。
AIIBIVC2 V型黄铜矿结构半导体化合物，如ZnGeP2、CdSiP2等，是优秀的红外非线性光晶体材料，具有非常重要的应用价值。理论研究表明基于宽禁带的半磁半导体，可能具有高于室温的居里温度，根据AIIBIVC2 V型化合物性质的一般规律，含Si,P的化合物要比含Ge,Sn,As 的同构物有更大的带隙。但是，目前尚未出现黄铜矿结构的铁磁半导体材料。
发明内容
本发明针对现有磁性半导体材料存在的居里温度较低、限制室温环境实际应用的问题，提供一种新型的黄铜矿结构的室温铁磁半导体材料MnSiP2，以及该材料制备方法和应用。
本发明的室温铁磁半导体材料MnSiP2，属于四方晶系，I-42d空间群，晶胞参数为：a＝ 5.5823(3),Z＝4。
上述室温铁磁半导体材料MnSiP2的制备方法，包括以下步骤：
(1)按摩尔比Mn:Si:P＝1:1:2.0-2.5的比例分别称取Mn、Si和P三种单质原料，将原料一起研磨均匀，装入石英管内，抽真空3X10-4Pa-5X10-4Pa后，封烧石英管。
(2)将石英管采用阶段性升温，先以30℃/小时-50℃/小时的升温速率升至450℃-500℃，恒温15小时-20小时，继续升温至反应温度950-1100℃，恒温反应20小时-30小时，最后以50小时-100小时缓慢降温至室温。
(3)打开石英管，取出结晶较好的料块，用去离子水清洗干净，放置于烘箱中干燥处理，得到室温铁磁半导体材料MnSiP2。
上述室温铁磁半导体材料MnSiP2应用于制作自旋场效应晶体管、自旋发光二极管、自旋共振磁隧道结、光隔离器、磁传感器或非挥发存储器。
本发明在Mn-Si-P体系中探索合成了新型黄铜矿化合物MnSiP2，存在铁磁-顺磁相变，低温时其为铁磁相，高温时为顺磁相，其居里温度高达290K，是一种近室温磁性半导体材料，可以应用于制作自旋场效应晶体管、自旋发光二极管、自旋共振磁隧道结、光隔离器、磁传感器和非挥发存储器等，在通信、信息存储等领域具有重要的应用价值，在光电子学和磁学领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1是本发明制备的MnSiP2粉末的X射线衍射图谱。
图2是MnSiP2变温磁化率曲线图。
具体实施方式
实施例1
按摩尔比Mn:Si:P＝1:1:2.0分别称取Mn、Si和P三种单质原料，原料在玛瑙研钵内研磨均匀，装入石英管内，抽真空3×10-4Pa后，封烧石英管。将石英管放入高温管式炉中，采用阶段性升温，先以30℃/小时的升温速率升至450℃，恒温15小时，继续升温至反应温度950℃，恒温反应20小时，然后经过50小时缓慢降温至室温。打开石英管，取出结晶较好的料块，用去离子水清洗干净，放置于烘箱中干燥处理，得到纯相MnSiP2磁性半导体材料。
本实施例中经过高温合成得到的MnSiP2的粉末X射线衍射图谱和变温磁化率曲线分别如图1和图2所示。
实施例2
按摩尔比Mn:Si:P＝1:1:2.3分别称取Mn、Si和P三种单质原料，原料在玛瑙研钵内研磨均匀，装入石英管内，抽真空4×10-4Pa后，封烧石英管。将石英管放入高温管式炉中，采用阶段性升温，先以40℃/小时的升温速率升至500℃，恒温20小时，继续升温至反应温度1000℃，恒温反应25小时，然后经过80小时缓慢降温至室温。打开石英管，取出结晶较好的料块，用去离子水清洗干净，放置于烘箱中干燥处理，得到纯相MnSiP2磁性半导体材料。
实施例3
按摩尔比Mn:Si:P＝1:1:2.5分别称取Mn、Si和P三种单质原料，原料在玛瑙研钵内研磨均匀，装入石英管内，抽真空5×10-4Pa后，封烧石英管。将石英管放入高温管式炉中，采用阶段性升温，先以50℃/小时的升温速率升至480℃，恒温18小时，继续升温至反应温度1050℃，恒温反应30小时，然后经过100小时缓慢降温至室温。打开石英管，取出结晶较好的料块，用去离子水清洗干净，放置于烘箱中干燥处理，得到纯相MnSiP2磁性半导体材料。
实施例4
按摩尔比Mn:Si:P＝1:1:2.5分别称取Mn、Si和P三种单质原料，原料在玛瑙研钵内研磨均匀，装入石英管内，抽真空5×10-4Pa后，封烧石英管。将石英管放入高温管式炉中，采用阶段性升温，先以50℃/小时的升温速率升至480℃，恒温18小时，继续升温至反应温度1100℃，恒温反应30小时，然后经过100小时缓慢降温至室温。打开石英管，取出结晶较好的料块，用去离子水清洗干净，放置于烘箱中干燥处理，得到纯相MnSiP2磁性半导体材料。
上述各实施例制备的黄铜矿结构MnSiP2磁性半导体化合物，居里温度290K接近于室温，可应用于制作新一代的电子器件，如自旋场效应管、自旋发光二极管、磁传感器和非挥发存储器等。

Claims (1)

1.一种室温铁磁半导体材料MnSiP2的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)按摩尔比Mn:Si:P＝1:1:2.0～2.5的比例分别称取Mn、Si和P三种单质原料，将原料一起研磨均匀，装入石英管内，抽真空3×10-4Pa～5×10-4Pa后，封烧石英管;
(2)将石英管采用阶段性升温，先以30℃/小时-50℃/小时的升温速率升至450℃～500℃，恒温15小时～20小时，继续升温至反应温度950～1100℃，恒温反应20小时～30小时，最后以50小时～100小时缓慢降温至室温;
(3)打开石英管，取出结晶较好的料块，用去离子水清洗干净，放置于烘箱中干燥处理，得到室温铁磁半导体材料MnSiP2。
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