CN110129736B - 一种Fe/C60颗粒薄膜霍尔效应材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Fe/C₆₀颗粒薄膜霍尔器件材料及其制备方法。该霍尔器件材料为纳米金属Fe颗粒随机分布于有机半导体C₆₀母体中构成的Fe/C₆₀复合薄膜，薄膜采用共蒸发的方法制备，制备过程中通过调控Fe和C₆₀蒸发源的输入电流来改变Fe和C₆₀的体积比，通过改变沉积时间来调控颗粒薄膜的厚度。该方法制备出的Fe/C₆₀颗粒薄膜具有很高的反常霍尔电阻率和反常霍尔系数，反常霍尔电阻率的温度稳定性好。

Description

一种Fe/C60颗粒薄膜霍尔效应材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种无机/有机杂化的Fe/C₆₀颗粒薄膜霍尔效应材料及其制备方法。

背景技术

当电流垂直于外磁场通过材料时，载流子的运动轨迹会发生偏转，从而在垂直于电流和磁场的方向产生电势差，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应可分为正常霍尔效应和反常霍尔效应两类，其中正常霍尔效应在非磁性半导体材料(如硅、锗、砷化镓等)中较为明显，而反常霍尔效应只存在于磁性材料中。目前，正常霍尔效应已被广泛应用于传感器、开关器件等霍尔器件中，例如用于磁场强度检测的磁强计、汽车点火系统中的点火脉冲发生器以及具有抑制电磁干扰作用的功率霍尔电路等。虽然正常霍尔器件灵敏度等性能良好，但这类器件往往尺寸较大，工作温度较窄且功耗较高。与之相比，磁性材料特有的反常霍尔效应除了具有较高的霍尔系数和霍尔灵敏度外，还具有器件尺寸更小、功耗更低、稳定性更好等独特的性能。

在众多具有反常霍尔效应的磁性材料中，纳米磁性金属颗粒膜具有明显的优势。纳米磁性金属颗粒薄膜是由纳米尺度的磁性金属颗粒随机地分布于绝缘体(或半导体)母体中构成的人工结构纳米功能材料，具有独特的定域效应、量子尺寸效应、表面和界面效应等，能够表现出不同于磁性金属或母体材料的物理性能。特别是，由于金属与母体之间存在大量的界面层，可以使材料具有很高的霍尔电阻率和霍尔灵敏度，是非常好的反常霍尔材料。

目前，纳米磁性金属颗粒薄膜大多以无机材料作为母体，包括二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锌、锗等，反常霍尔系数还有很大的提升空间，例如Ni_x(SiO₂)_1-x颗粒膜的反常霍尔系数为5.0×10^-8Ω·cm/G，Fe₅₀Ge₅₀颗粒膜为2.6×10^-8Ω·cm/G，Fe_x(ZnO)_1-x颗粒膜为4.3×10^-9Ω·cm/G等。与无机母体材料相比，有机半导体母体材料具有很多明显的优势：有机半导体材料主要由原子序数较小的C、H、O、N等元素组成，自旋-轨道耦合及超精细相互作用较弱，是理想的自旋传输介质；有机半导体结构疏松的特性使之可以和铁磁颗粒形成大量的界面，而界面层的存在有助于提高反常霍尔系数；有机半导体与磁性金属颗粒间会有明显的电荷转移，存在强烈的界面耦合，可以有效提高体系的铁磁稳定性；以有机半导体材料为母体的电子器件还具有功耗低、重量轻、性能可调、可制作大面积柔性器件、可循环使用等很多优势，具有十分巨大的应用价值。目前几乎没有基于有机半导体材料作为母体的颗粒薄膜反常霍尔器件的报道。

本发明提供一种Fe/C₆₀颗粒薄膜，该颗粒薄膜以Fe这种常见的铁磁材料作为颗粒薄膜中的金属纳米颗粒，以富勒烯(C₆₀)这种小分子有机半导体作为颗粒薄膜的母体，采用共蒸发的方法制备出金属/有机半导体颗粒薄膜，并获得了高达51μΩ·cm的室温反常霍尔电阻率，室温反常霍尔系数达到9.9×10^-8Ω·cm/G，明显高于大部分无机材料为母体的颗粒膜。且该 Fe/C₆₀具有很好的磁场线性度和温度稳定性，2K的低温下反常霍尔电阻率仍能保持在室温值的85％。因此该材料是一种性能优异的反常霍尔器件材料。

发明内容

本发明提供一种Fe/C₆₀颗粒薄膜霍尔器件材料，该材料采用共蒸发的方法制备，通过调控Fe和C₆₀体积比，形成一种铁磁金属颗粒分散在有机小分子母体中的颗粒薄膜结构，与现有的颗粒薄膜霍尔器件材料相比，制备方法简单，室温反常霍尔电阻率和反常霍尔系数更高，温度稳定性好。该Fe/C₆₀颗粒薄膜霍尔器件室温反常霍尔电阻率最大值可达到51μΩ·cm，室温反常霍尔系数达到9.9×10^-8Ω·cm/G，且在2K低温下反常霍尔电阻率仍能保持室温值的 85％。

本发明提供一种Fe/C₆₀颗粒薄膜反常霍尔器件材料，其特征在于该材料为纳米金属Fe 颗粒随机分布于有机半导体C₆₀母体中构成的复合薄膜材料，其中Fe与C₆₀的体积比在3∶7～7∶3 范围内，优选在4∶6～6∶4范围内；Fe颗粒的粒径在1.5～50nm范围内，优选在2～10nm范围内，薄膜的厚度在1.5～200nm范围内，优选在15～180nm范围内。

本发明提供一种Fe/C₆₀颗粒薄膜霍尔器件材料，其特征在于制备过程采用共蒸发方法。所述的制备方法具体步骤如下：

1.采用共蒸发法制备Fe/C₆₀颗粒薄膜。将金属Fe材料清洗干净，放入热蒸发设备的蒸发源(I)；称取适量C₆₀材料，放入热蒸发设备的蒸发源(II)；

2.将清洗后的基片安装在热蒸发设备的基片转台上，抽真空，当真空室压强低于4×10^-4 Pa后打开蒸发源(I)和(II)的电源开始通入电流。

3.调控蒸发源(I)和(II)的输入电流大小来控制蒸发速率，使Fe和C₆₀蒸发沉积到安装好的基片上，热蒸发过程中基片保持旋转。

本发明提供的Fe/C₆₀颗粒薄膜磁电阻器件的制备方法，其特征在于该方法制备Fe/C₆₀薄膜的过程中，步骤1所述的Fe和C₆₀材料纯度均大于或等于99％。

本发明提供的Fe/C₆₀颗粒薄膜磁电阻器件的制备方法，其特征在于该方法制备Fe/C₆₀薄膜的过程中，步骤1所述的Fe材料优选Fe丝、Fe片或Fe颗粒，C₆₀材料优选C₆₀粉末。

本发明提供的Fe/C₆₀颗粒薄膜磁电阻器件的制备方法，其特征在于该方法制备Fe/C₆₀薄膜的过程中，步骤3所述的蒸发源(I)和(II)的蒸发速率的比值在3∶7～7∶3范围内，优选在 4∶6～6∶4范围内。

本发明提供的Fe/C₆₀颗粒薄膜磁电阻器件的制备方法，其特征在于该方法制备Fe/C₆₀薄膜的过程中，步骤3所述的沉积时间为10秒～2分钟，优选沉积时间为1分钟。

本发明提供的Fe/C₆₀颗粒薄膜磁电阻器件及其制备方法，其特征在于有机半导体C₆₀也可以由其它小分子的有机半导体材料替代，如喹啉铝、并五苯、酞菁铜、红荧烯等；磁性金属Fe也可以替换为其它磁性金属材料，如Co、Ni、坡莫合金等。

本发明提供了一种Fe/C₆₀颗粒薄膜霍尔器件及其制备方法，其特征在于器件的制备过程中采用共蒸发沉积的制备方法。通过调控Fe和C₆₀蒸发源的输入电流来改变Fe/C₆₀颗粒薄膜中金属和有机半导体的体积比，通过改变沉积时间来调控Fe/C₆₀颗粒薄膜的厚度。通过该方法，可以获得具有不同反常霍尔性能的磁性金属/有机半导体颗粒薄膜。

附图说明

图1是制备出的Fe/C₆₀颗粒薄膜的透射电子显微镜图像。

图2是室温测量得到的Fe/C₆₀颗粒薄膜的霍尔电阻率曲线。

具体实施方式

下面将通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

将1g高纯Fe丝(纯度为99.99％)放入乙醇溶液中超声清洗15分钟，用氮气吹干放入中科科仪生产的电阻蒸发设备的蒸发源(I)；称取0.5g高纯C₆₀粉末(纯度为99.95％)放入电阻蒸发设备的蒸发源(II)。将清洗好的的Si片衬底安装在热蒸发设备的基片转台上，抽真空，当真空室压强低于4×10^-4Pa后打开蒸发源(I)和(II)的电源。衬底温度保持常温并以30rpm的速率自转。调节蒸发源(I)和(II)的电流，使得Fe和C₆₀蒸发速率比达到5.5∶4.5，打开基片挡板，沉积30秒。沉积完成后，关闭分子泵和机械泵，待蒸发源降至室温后打开真空室，取出样品，得到最终的Fe/C₆₀颗粒薄膜。

采用透射电子显微镜(JEOL 2200F)测试了所制备的薄膜的微结构，结果如说明书附图 1所示。结果表明，所得的薄膜为颗粒膜结构，多晶的Fe颗粒分散于C₆₀母体中。Fe颗粒平均粒径为3nm，Fe与C₆₀的体积比约为5.5∶4.5。

实施例2

将2g高纯Fe丝(99.99％)放入乙醇溶液中超声清洗15分钟，吹干放入中科科仪生产的电阻蒸发设备的蒸发源(I)；称取1g高纯C₆₀粉末(99.95％)放入电阻蒸发设备的蒸发源(II)。在清洗好的的玻璃衬底上覆盖一层带有霍尔测试所需图形的掩模板作为基片，将基片安装在热蒸发设备的基片转台上，抽真空，当真空室压强低于4×10-4Pa后打开蒸发源(I)和 (II)的电源。衬底温度保持常温并以20rpm的速率自转。调节蒸发源(I)和(II)的电源，使得Fe和C₆₀蒸发速率比达到4.8∶5.2，打开基片挡板，沉积1分钟。沉积完成后，关闭分子泵和机械泵，待蒸发源降至室温后打开真空室，取出样品，得到最终的Fe/C₆₀颗粒薄膜。

采用Quantum Design公司的物理性质测试系统(PPMS-9)测量了所得颗粒薄膜的室温磁电阻曲线，测量结果如说明书附图2所示。将霍尔电阻率曲线从高磁场外推至0磁场得到最大反常霍尔电阻率。从图中可以看出，该有机颗粒薄膜磁电阻器件的室温反常霍尔电阻率最大值达到51μΩ·cm。

Claims (7)

1.一种Fe/C₆₀颗粒薄膜反常霍尔器件材料，其特征在于该材料中Fe与C₆₀的体积比在3∶7～7∶3的范围内，Fe颗粒的粒径在1.5～50nm的范围内，薄膜的厚度在1.5～200nm的范围内。

2.如权利要求1所述的Fe/C₆₀颗粒薄膜反常霍尔器件材料，其特征在于该材料中Fe与C₆₀的体积比是在4∶6～6∶4的范围内，Fe颗粒的粒径是在2～10nm的范围内，薄膜的厚度是在15～180nm的范围内。

3.一种Fe/C₆₀颗粒薄膜反常霍尔器件材料的制备方法，其特征在于该材料采用共蒸发的方法制备，制备的具体步骤如下：

3.1)取适量清洗好的Fe材料放入热蒸发镀膜装置的蒸发源(I)，取适量C₆₀材料放入热蒸发镀膜装置的蒸发源(II)，将清洗好的基片固定在热蒸发镀膜装置的基片转台上；

3.2)将热蒸发镀膜装置抽真空，当真空室压强低于4×10^-4Pa后打开蒸发源(I)和(II)的电源，开启基片转台的自转开关；

3.3)调控蒸发源(I)和(II)的输入电流大小来控制蒸发速率，使得蒸发源(I)和(II)蒸发速率的比值在3∶7～7∶3范围内，蒸发时间在10秒～2分钟范围内。

4.如权利要求3所述的Fe/C₆₀颗粒薄膜反常霍尔器件材料的制备方法，其特征在于步骤3.1)所述的Fe材料和C₆₀材料纯度均大于或等于99％。

5.如权利要求3所述的Fe/C₆₀颗粒薄膜反常霍尔器件材料的制备方法，其特征在于步骤3.1)所述的Fe材料为Fe丝、Fe片或Fe颗粒，C₆₀材料为C₆₀粉末。

6.如权利要求3所述的Fe/C₆₀颗粒薄膜反常霍尔器件材料的制备方法，其特征在于步骤3.3)所述的蒸发源(I)和(II)的蒸发速率的比值在4∶6～6∶4的范围内。

7.如权利要求3所述的Fe/C₆₀颗粒薄膜反常霍尔器件材料的制备方法，其特征在于步骤3.3)所述的热蒸发镀膜沉积时间为1分钟。

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