CN106756787B - 一种可调控磁光光谱的磁光材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于磁性氧化物薄膜的生长技术领域，具体涉及一种可调控磁光光谱的磁光材料及其制备方法。本发明通过改变钴掺杂氧化铈和氧化铪成分比例、生长过程中的激光能量密度、薄膜沉积温度以及薄膜沉积气压，制备了一种基于钴掺杂氧化铈和/或氧化铪的可调控磁光光谱的薄膜，获得了高磁光优值的新型可调谐磁光光谱材料。室温铁磁性的可调磁光性质和光学性质材料可应用于设计最佳磁光优值的可调波长的光学器件。

Description

一种可调控磁光光谱的磁光材料及其制备方法
技术领域
本发明属于磁性氧化物薄膜的生长技术领域，具体涉及一种可调控磁光光谱的磁光材料及其制备方法。
背景技术
磁光特性一方面能为理解材料磁性和磁光机理提供重要依据，另一方面在非互易器件和传感领域有重要的应用。研究发现，磁光光谱和金属氧化物基体能带结构有重要联系，这为研究材料磁性，发展新型磁光材料开辟了新的途径。
磁光氧化物材料，如钇铁石榴石(YIG)，尖晶石铁氧体和六角铁氧体等由于其室温铁磁性、高光学透过率和强磁光性能而广泛应用于非互易光学器件和磁光存储应用中。高磁光优值的磁光材料在近红外波段(1μm波长以上)中的稀土掺杂磁性石榴石如Ce:YIG或Bi:YIG中得到过，从而可以在近红外波段制备高透过的非互易光学器件。因此，这类材料广泛应用于光通信波长范围的光隔离器和环形器。然而，在其他波长范围，没有铁磁氧化物同时具有高磁光效应和低光学损耗。这从根本上是因为铁磁性氧化物的磁光性质和光学吸收来源于位于八面体位或四面体位的过渡金属离子，如：Fe、Co和Mn的离子能级的电偶极跃迁。由于类似于八面体位或四面体位的局域氧配位场，大多数的磁光氧化物的电偶极跃迁能级位于紫外到可见光波段，这使得这类材料的磁光光谱不可调节，从而最优性能只在近红外波段可用。
另一方面，磁性半导体，如锰掺杂碲化镉，锰掺杂砷化镓，钴掺杂氧化锌或氧化钛等，显示了由于基体和掺杂的磁性离子间的sp-d交换作用引起的独特不同的磁光光谱。大多数电偶极跃迁发生在基体的吸收带边，因此，可产生各种各样的取决于掺杂浓度、基体带宽的可调谐磁光材料。例如：在Cd1-xMnxTe中掺杂Hg可使磁光光谱向近红外波长范围移动，进而提高材料在近红外波段的磁光优值。目前为止，这种可调谐磁光光谱仅在室温顺磁性半导体中发现过，且在低场下显示相对低的磁光性质。
到目前为止，还没有一种可以在室温呈现铁磁性且可人为调控磁光光谱的磁光材料。室温铁磁性的可调磁光性质和光学性质材料是设计最佳磁光优值的可调波长的光学器件。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种可调控磁光光谱的磁光材料及其制备方法，基于钴掺杂氧化铈和氧化铪，获得室温铁磁性的可调谐磁光光谱材料。
该可调控磁光光谱的磁光材料是以CeO2、HfO2和Co3O4为原料按CexHf0.95-xCo0.05O2-δ的mol％比通过固相法制得靶材，再通过脉冲激光沉积PLD技术制得，其中0＜x＜0.95。
其制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备靶材。
将CeO2、HfO2和Co3O4原料粉末按CexHf0.95-xCo0.05O2-δ的配比通过固相法制得靶材。
步骤2：清洗基片。
将石英基片，依次采用有机溶剂丙酮，乙醇和去离子水于超声清洁仪里进行超声清洗3-5分钟，清洗完成后，并迅速用氮气吹干备用。
步骤3：沉积钴掺杂的氧化铈和氧化铪薄膜。
采用脉冲激光沉积PLD技术，在步骤2清洗后的石英基片上沉积钴掺杂氧化铈和氧化铪薄膜；其中脉冲激光沉积时能量密度为2.0-4.0J/cm2，薄膜的沉积温度为600-700℃，沉积气压为1.1×10-4-1.9×10-4Pa。
本发明在步骤3的PLD技术中采用：
1、氧化铈、氧化铪成分比例的控制：
对于制备基于钴掺杂氧化铈和氧化铪的可调控磁光光谱的薄膜，通过控制钴含量为0.05-0.1范围其中的任意一值，调节氧化铈和氧化铪的成分范围，即0＜x＜0.95。
2、激光能量密度的控制：
对于制备不同成分比例的基于钴掺杂氧化铈和氧化铪薄膜，所需要的能量密度范围将控制在2.0-4.0J/cm2范围内。之所以控制在此能量范围内：是因为能量过低将不足以使薄膜结晶；而能量过高，相应的因高功率脉冲激光与靶材相互作用在薄膜中会形成大量的滴状颗粒，从而影响薄膜的结晶质量。
3、沉积温度的控制：
基片的温度与粒子在基片上的扩散速率有关，随着温度的升高，粒子的扩散速率增加，薄膜较致密。但过高的沉积温度会影响薄膜的化学计量比。温度过低则不能使薄膜完全结晶。对于钴掺杂氧化铈和氧化铪的薄膜，需要控制薄膜的沉积温度在600-700℃可获得结晶较好的薄膜。
4、沉积气压的控制：
在钴掺杂氧化铈和氧化铪的薄膜中，此系统对于沉积气压非常敏感。沉积气压为1.1×10-4-1.9×10-4Pa。
综上所述，本发明通过改变钴掺杂氧化铈和氧化铪成分比例、生长过程中的激光能量密度、薄膜沉积温度以及薄膜沉积气压，制备了一种基于钴掺杂氧化铈和氧化铪的可调控磁光光谱的薄膜，获得了高磁光优值的新型可调谐磁光光谱材料。
附图说明
图1为实施例制备的Co掺杂CeO2:HfO2单层膜XRD图谱；
图2为实施例制备的Co掺杂CeO2:HfO2单层膜室温磁滞回线；
图3(a)为实施例制备的Co掺杂CeO2:HfO2单层膜透射光谱图，(b)为Tauc Plot拟合的光学带隙图；
图4(a)为实施例制备的Co掺杂CeO2:HfO2单层膜室温法拉第磁光光谱图，(b)为实施例制备的Co掺杂CeO2:HfO2单层膜室温磁圆二色性光谱。
具体实施方式
为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
为了得到基于钴掺杂氧化铈和氧化铪的可调控磁光光谱的磁光薄膜，设计了以下一组实施例：
Co:CeO2:HfO2(x＝0.95、0.80、0.60、0.475、0.35、0.15、0)薄膜的制备；
以上所述的x为化学式CexHf0.95-xCo0.05O2-δ中代表Ce原子含量。
请参考附图1-4，本发明的目的在于提供一种在石英基片上生长基于钴掺杂氧化铈和氧化铪的可调控磁光光谱的薄膜及其制备方法。
步骤1：按照既定的化学计量配比通过固相烧结法制备x＝0.95、0.80、0.60、0.475、0.35、0.15、0的靶材。
靶材制备步骤如下：
(a)计算：分别计算配方为x＝0.95、0.80、0.60、0.475、0.35、0.15、0的各氧化物粉末质量。
(b)称量：用电子天平称量所计算的的CeO2、HfO2、Co3O4粉末。
(c)球磨：将称量好的粉末试剂混合在一起，然后再在粉料中加少许无水乙醇，在球磨机中反复研磨六个小时，粉末越细、混合越均匀越有利于固相反应的进行。
(d)烘干：将球磨好的粉体、酒精混合液体放入烘干机中，使乙醇挥发。
(e)煅烧：将球磨好的粉末放在坩埚内，再将其放到烧结炉中预烧，升温速率设为5℃/min，达到预烧温度1200℃后保温2小时，然后再以5℃/min的降温速率冷却至室温。
(f)研磨：将粉末在玛瑙研钵中充分研磨两小时，粉末越细越好。
(g)压片：在压片机上将研磨好的粉末压成直径为1cm圆片。
(h)烧结：将压片后的成型靶材放在坩埚内，以5℃/min的升温速率到450℃进行排胶，保温2小时，再以5℃/min的升温速率到所需温度，保温5小时后，再以5℃/min的降温速率冷却至室温。即得到所需靶材。
步骤2：取用7片石英基片，用有机溶剂和去离子水清洗其表面，除去各种杂质。有机溶剂包括丙酮和乙醇。依次将石英基片浸渍与丙酮、乙醇、去离子水中，并置于超声清洁仪里超声清洗各3分钟，并迅速用氮气吹干。
步骤3：将钴含量为定值0.05、七种不同氧化铈、氧化铪成分比例的钴掺杂氧化铈、氧化铪的混合靶材(x＝0.95、0.80、0.60、0.475、0.35、0.15、0)放入PLD腔体内。
步骤4：将清洁后的石英基片置于真空腔内靶材对面，靶基距固定为55mm，基片温度升高至700℃；
步骤5：抽真空，控制真空度为1.3×10-4Pa，采用波长为248nm的激光(KrF)烧蚀旋转的靶材表面，激光能量为3.2J/cm2，调节激光脉冲频率为10Hz；
步骤6：由于不同Ce:Hf比例的薄膜的沉积速率不同，所以为得到相同厚度的薄膜，各成分薄膜激光脉冲次数分别为：10000次(x＝0.95)、15000次(x＝0.80)、18000次(x＝0.60)、30000次(x＝0.475)、35000次(x＝0.35)、40000次(x＝0.15)、120000次(x＝0)。
步骤7：生长结束后，样品在1.3×10-4Pa真空条件下降至室温，从真空腔中取出。即得到钴含量为定值0.05，x＝0.95至0的七种不同氧化铈、氧化铪成分比例的钴掺杂氧化铈、氧化铪的薄膜。
XRD测试结果如图1所示。由于Ce4+离子半径大于Hf4+离子半径，CeO2晶格常数大于HfO2的晶格常数，表现在XRD图谱上就是从Ce0.95至Ce0.15主峰都为Ce(111)的择优取向，且峰位随着Ce含量的减少而逐渐向右移动。在所有样品的XRD结果中，均没有Co的峰，说明Co与CeO2、HfO2形成了良好的固溶体。该结果表明，在该工艺条件下七种不同Ce:Hf比例的薄膜的结晶质量很好。
图2为制备的Co掺杂CeO2:HfO2单层膜面外室温磁滞回线,七种成分的薄膜均显示了室温铁磁性。
图3(a)为通过实验得到制备的Co掺杂CeO2:HfO2(x＝0.95、0.80、0.60、0.475、0.35、0.15、0)薄膜透射光谱图，图3(b)为根据图3(a)的透射光谱用Tauc Plot方法拟合的光学带隙图，结果显示：随着薄膜中掺铪含量的增加，薄膜的光学带隙增大。即：可通过改变Ce:Hf比例调节光学带隙。
图3(a)为制备的Co掺杂CeO2:HfO2(x＝0.95、0.80、0.60、0.475、0.35、0.15、0)薄膜室温法拉第磁光光谱图，图3(b)为制备的Co掺杂CeO2:HfO2(x＝0.95、0.80、0.60、0.475、0.35、0.15、0)薄膜室温磁圆二色性光谱图。结果显示：通过改变Ce:Hf比例，随着薄膜光学带隙的增加，磁光光谱跃迁发生蓝移。即：可通过改变薄膜光学带隙，获得可调控磁光光谱的新型磁光薄膜。

Claims (4)

1.一种可调控磁光光谱的磁光材料，其特征在于：
该材料是以CeO2、HfO2和Co3O4为原料按CexHf0.95-xCo0.05O2-δ的mol％比，通过固相法制得靶材，再通过脉冲激光沉积PLD技术制得，其中0＜x＜0.95。
2.如权利要求1所述可调控磁光光谱的磁光材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、制备靶材；
将CeO2、HfO2和Co3O4原料粉末按CexHf0.95-xCo0.05O2-δ的mol％比，通过固相法制得靶材，其中0＜x＜0.95；
步骤2、清洗基片，并干燥备用；
步骤3、沉积钴掺杂的氧化铈和氧化铪薄膜；
采用脉冲激光沉积PLD技术，在步骤2清洗后的基片上沉积钴掺杂氧化铈和氧化铪薄膜；其中脉冲激光沉积时能量密度为2.0-4.0J/cm2，薄膜的沉积温度为600-700℃，沉积气压为1.1×10-4-1.9×10-4Pa。
3.如权利要求2所述可调控磁光光谱的磁光材料的制备方法，其特征在于：所述基片为石英基片。
4.如权利要求2所述可调控磁光光谱的磁光材料的制备方法，其特征在于：所述基片的清洗方法为，依次采用有机溶剂丙酮，乙醇和去离子水于超声清洁仪里进行超声清洗3-5分钟，清洗完成后；干燥方法为氮气吹干。
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CN100590101C (zh) * 2008-04-18 2010-02-17 北京有色金属研究总院 一种氧化铪掺杂氧化铈栅电介质材料及其制备方法
CN101483219A (zh) * 2009-01-15 2009-07-15 浙江大学 Co-Ga共掺的ZnO基稀磁半导体薄膜及其制备方法
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