CN1383161A - 溶胶－凝胶(Sol－Gel)法制备ZnO基稀释磁性半导体 - Google Patents
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Abstract
溶胶—凝胶(Sol－Gel)法制备ZnO基稀释磁性半导体的方法:采用溶胶—凝胶法并结合掺杂铁磁性离子如Fe、Co或Mn、Ni等制备ZnO基稀释磁性半导体薄膜:先制备ZnO胶体溶液,将一定量分析纯醋酸锌和磁性金属盐,铁和锌的原子浓度比为1～15%,溶解在无水乙醇中,均匀搅拌,最终得到ZnO胶体溶液,ZnO胶体溶液滴加匀涂覆在旋转的Si片上,将薄膜在室温～100℃下放置一段时间后,然后在240～300℃热处理数分钟后,在500～900℃,氮气气氛下热处理0.5－1.5小时。溶胶—凝胶法制备薄膜材料具有技术简单,低耗费,易于获得大面积的薄膜等优点。可以制得多组分均匀混合物。
Description
一、技术领域：
本发明涉及一种氧化锌(ZnO)基稀释磁性半导体薄膜的生长方法，主要是采用溶胶一凝胶法和磁性离子掺杂来制备ZnO稀释磁性半导体薄膜。
二、技术背景
稀释半导体材料(Diluted Magnetic Semiconductor，DMS)是在非磁性半导体(如IV-VI族、II-VI族或III-V族)中掺杂磁性离子，利用载流子控制技术产生磁性的新型功能材料。目前研究的DMS材料的居里温度都比较低，从实际应用的角度考虑，寻找具有更高居里温度的材料是迫切需要的。理论工作表明，宽带隙半导体如GaN和ZnO可能是室温或更高温度下能够实现载流子引起铁磁性的合适的代表性材料。
ZnO是II-VI族复合半导体材料的一个非常重要的代表性材料，具有许多优异的性能，是发展可见-紫外波段光发射、光探测、压电和功率电子器件的优选材料。与ZnSe和GaN相比，除了高的直接带隙(3.37eV)以外，它还具有以下几个优点：(1)具有很大的激子束缚能(60mev)，是GaN的两倍，即使在室温下，激子仍在其光学性质中占据主导地位，因而具有室温下的高的紫外光发射和较低能量的光学泵浦；(2)具有本征衬底材料；(3)可以进行湿化学法处理；(4)具有更好的抗辐射损伤的能力。另外，ZnO的带边发射在紫外区，将是非常适于做为白光LED的开始材料。因此，ZnO在蓝光和紫外光光学器件甚至白光LED方面具有非常重要的应用，因而引起研究者的重视。另外，由于ZnO可能具有较高的居里温度，可能通过掺杂制备ZnO基稀释磁性半导体，与现有的半导体器件集成，在光、电、磁功能集成等的新型器件方面具有重要的应用。
目前ZnO的实际应用大部分都是基于多晶或非晶的ZnO材料。但是对于ZnO在光电子方面的应用，必须是高质量的单晶ZnO材料。因此，生长n型或p型电导的高质量ZnO薄膜是必要的。不幸地是，ZnO具有单一的极性，n型材料很容易原位生长得到，而p型材料却很难获得，因而难以得到p-n结的同质接触。对于p-ZnO的研究工作已经获得了部分进展，如采用N或Ga-N掺杂等。
在ZnO薄膜的制备，目前主要有以下几种方法：激光分子束外延(MBE)，金属有机物气相沉积(MOCVD)，微波磁控溅射(RF magnetron sputtering)和脉冲激光溅射(PLD)以及喷雾高温热解(spray pyrolysis)和溶胶-凝胶(Sol-Gel)法等。溶胶凝胶法制备ZnO，与传统的激光MBE，MOCVD，微波磁控溅射和脉冲激光溅射等方法相比，具有方法简单，无须真空设备，化学均匀性好，可望在各种各样的衬底上制备大面积ZnO薄膜和复杂组成ZnO基薄膜。
三、发明内容
本发明目的是：采用溶胶—凝胶法并结合掺杂铁磁性离子如Fe、Co或Mn、Ni等制备ZnO基稀释磁性半导体薄膜。该方法同样适用于其他铁磁性离子，如Mn、Co和Ni等。
本发明的技术解决方案是：先制备ZnO胶体溶液。将一定量分析纯醋酸锌和磁性金属的盐，如氯化盐或硫酸盐，如氯化亚铁溶解在无水乙醇中，均匀搅拌，并滴加适量乳酸至溶液将要出现沉淀前为止。继续搅拌2小时。最终得到ZnO胶体溶液。ZnO胶体溶液滴加匀涂覆在旋转的Si片上。将薄膜在室温～100℃下放置一段时间后，然后在220～300℃热处理5分钟。重复以上步骤2和3数次，获得不同厚度的ZnO薄膜。在500～900℃，氮气气氛下热处理0.5-1.5小时。
磁学性质测量(图1)表明，我们获得了室温下的ZnO∶Fe稀释磁性半导体材料。
本发明的技术特点是：
溶胶-凝胶法制备薄膜材料具有技术简单，低耗费，易于获得大面积的薄膜等优点。由于溶胶由溶液得到，胶粒内和胶粒间化学成分完全一样，可以制得多组分均匀混合物(均匀程度可达到分子级水平)，并能够制得一些用传统方法难以得到或根本得不到的产物。在本发明中，磁性离子均匀分布在ZnO晶粒中，没有第二相存在，磁性离子的浓度可以精确控制。
四、附图说明
图1是溶胶—凝胶法获得的ZnO∶Fe薄膜的M-H曲线
五、具体实施方式
具体步骤如下：
1、制备ZnO胶体溶液。将一定量分析纯醋酸锌和氯化亚铁溶解在无水乙醇中，均匀搅
拌，并滴加适量乳酸至溶液将要出现沉淀前为止。继续搅拌2小时。最终得到ZnO胶
体溶液。铁和锌的原子浓度比为1～15％；Mn、Co和Ni胶体配比与Fe相同，也是在
1～15％。可以采用Mn、Co和Ni的盐，亦可以是氯化盐或硫酸盐。
2、预先清洗好的Si片上滴加一滴0.02ml的ZnO胶体溶液，以2000～3000转/秒的速
率均匀涂覆在Si片上。
3、薄膜在室温～100℃下放置10分钟至30分钟，然后在240～300℃热处理5-10分钟。
4、重复以上步骤2和3数次，获得不同厚度的ZnO薄膜。
5、在500～900℃，氮气气氛下热处理0.5-1.5小时。
Mn、Co和Ni掺杂铁磁性离子的方法同上。
Claims (5)
1、溶胶—凝胶(Sol-Gel)法制备ZnO基稀释磁性半导体的方法：其特征是采用溶胶—凝胶法并结合掺杂铁磁性离子如Fe、Co或Mn、Ni等制备ZnO基稀释磁性半导体薄膜：先制备ZnO胶体溶液，将一定量分析纯醋酸锌和磁性金属盐，铁和锌的原子浓度比为1～15％，溶解在无水乙醇中，均匀搅拌，最终得到ZnO胶体溶液，ZnO胶体溶液滴加匀涂覆在旋转的Si片上，将薄膜在室温～100℃下放置一段时间后，然后在240～300℃热处理数分钟后，在500～900℃，氮气气氛下热处理0.5-1.5小时。
2、由权利要求1所述的溶胶—凝胶(Sol-Gel)法制备ZnO基稀释磁性半导体的方法，其特征是重复上述步骤若干次，最后在500～900℃，氮气气氛下热处理0.5-1.5小时，获得不同厚度的ZnO薄膜。
3、由权利要求1所述的溶胶—凝胶(Sol-Gel)法制备ZnO基稀释磁性半导体的方法，其特征是磁性金属盐为氯化亚铁，Mn、Co和Ni胶体配比与Fe相同，也是在1～15％。
4、由权利要求1所述的溶胶—凝胶(Sol-Gel)法制备ZnO基稀释磁性半导体的方法，其特征是以2000～3000转/秒的速率均匀涂覆在Si片上。
5、由权利要求1所述的溶胶—凝胶(Sol-Gel)法制备ZnO基稀释磁性半导体的方法，其特征是薄膜在室温～100℃下放置10分钟至30分钟，然后在240～300℃热处理5-10分钟。
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