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    重庆时时彩技巧讲座: 一种制备氧化锌掺铁室温磁性半导体的方法.pdf

    关 键 词:
    一种 制备 氧化锌 室温 磁性 半导体 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110169819.7

    申请日:

    2011.06.22

    公开号:

    CN102299257A

    公开日:

    2011.12.28

    当前法律状态:

    终止

    有效性:

    无权

    法律详情: 未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H01L 43/12申请日:20110622授权公告日:20140604终止日期:20160622|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H01L 43/12申请日:20110622|||公开
    IPC分类号: H01L43/12; H01L43/14; H01F1/40 主分类号: H01L43/12
    申请人: 泉州师范学院
    发明人: 王锋; 黄伟伟; 张小婷; 连阿强; 李珊瑜
    地址: 362000 福建省泉州市丰泽区东海滨城
    优先权:
    专利代理机构: 泉州市文华专利代理有限公司 35205 代理人: 戴中生
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110169819.7

    授权公告号:

    |||102299257B||||||

    法律状态公告日:

    2017.08.11|||2014.06.04|||2012.09.19|||2011.12.28

    法律状态类型:

    专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种制备氧化锌掺铁室温磁性半导体的方法,采用纯度为99%的分析纯ZnO粉末和纯度为99%的分析纯Fe3O4粉末为原料进行混合研磨,然后将材料压制成片状或者不压片,并采用特有的烧结工艺,在高温电阻炉里进行大气氛围下的固相反应,完成室温磁性半导体的制备。本发明的制备方法具有工艺简化,无需用球磨机研磨、选用的制备工具和原材料低廉、产量大、填充性好、人工费用低,产品具有良好室温铁磁性和导电性能。

    权利要求书

    1.一种制备氧化锌掺铁室温磁性半导体的方法,其特征在于:采用纯
    度为99%的分析纯ZnO粉末和纯度为99%的分析纯Fe的氧化物粉末为原料
    进行混合研磨,然后将材料压制成片状或者不压片,并采用特有的烧结工
    艺,在高温电阻炉里进行大气氛围下的固相反应,完成室温磁性半导体的
    制备。
    2.如权利要求1所述的一种制备氧化锌掺铁室温磁性半导体的方法,
    其特征在于:所述的原料中Fe和Zn的摩尔比为(0.01-0.08)∶
    (0.99-0.92)。
    3.如权利要求2所述的一种制备氧化锌掺铁室温磁性半导体的方法,
    其特征在于:所述的材料压制成片状,需要良好半导体导电性能时,采用
    的原料中Fe和Zn的摩尔比为0.01∶0.99;所述的材料不压片时,采用的
    原料中Fe和Zn的摩尔比为0.08∶0.92。
    4.如权利要求1所述的一种制备氧化锌掺铁室温磁性半导体的方法,
    其特征在于所述的压制成片的工艺包括如下步骤:
    ①在混合后的原料样品粉末中添加浓度为5%的聚乙烯醇溶液粘结剂,
    再搅拌,碾磨均匀样品粉末;
    ②将搅拌均匀的样品粉末放入模具当中,轻轻抖动模具,使模具中的
    粉末分布均匀;
    ③将模具放到粉末压片机上,顺时针拧紧放油阀,匀速摇动杠杆,直
    到压力计指示到40Mpa为止;
    ④放置10分钟后,逆时针拧松放油阀,将模具取出;
    ⑤把模具倒转180度,放到粉末压片机上,在模具上依次放一桶状模
    具和垫片,顺时针拧紧放油阀,匀速摇动杠杆,直到样品被顶出模具,逆
    时针拧松放油阀,将模具及片状样品取出。
    5.如权利要求4所述的一种制备氧化锌掺铁室温磁性半导体的方法,
    其特征在于所述的烧结工艺包括如下步骤:
    ①在大气氛围下烧结;
    ②控制好烧结的温度变化,在烧制过程中,温度从常温开始,以不超
    过3℃/分钟的速度,升温至1150℃,烧结总时间在50小时;
    ③烧结完成后获得室温磁性半导体。

    说明书

    一种制备氧化锌掺铁室温磁性半导体的方法

    技术领域

    本发明涉及一种制备氧化锌掺铁室温磁性半导体的方法。属于新型半
    导体自旋电子器件材料制备领域。

    背景技术

    近年来,磁性半导体由于将半导体的载流子电荷和电子间的自旋耦合
    集中在同一种材料中,突破以往半导体产业的局限,产生了新的铁磁、磁
    电等性质。作为在下一代微电子器件研制中的一个重要发展方向,引起产
    业界极大的兴趣,迅速成为新型材料学中的前沿热点之一。氧化物磁性半
    导体是最有希望生产出室温条件下的本征磁性半导体的一类新型材料。因
    此,ZnO基氧化物磁性半导体具有十分重要的研究价值和广阔的应用前景。

    目前对ZnO基氧化物磁性半导体的研究较为广泛,对ZnO掺杂铁的研
    制也有进展,一些研究成果已经发现ZnO掺杂铁的样品具有高于室温的铁
    磁性。样品的制备方法主要为离子注入法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法、
    溶胶凝胶法、水热法、非均相沉淀法等。但是存在问题是:不同制备方法
    获得的ZnO掺杂铁材料磁性能不同,表现为铁磁性、反铁磁性、顺磁性、
    抗磁性等都有。由此可见,要获得稳定的ZnO掺杂铁室温铁磁性半导体与
    制备方法、工艺密切相关,而固相反应法用于制备氧化锌掺铁室温磁性半
    导体还未见文献、专利报道。

    发明内容

    本发明的目的在于提供了一种制备氧化锌掺铁室温磁性半导体的方
    法。本发明的制备方法具有工艺简化,无需用球磨机研磨、选用的制备工
    具和原材料低廉、产量大、填充性好、人工费用低,产品具有良好室温铁
    磁性和导电性能。

    为了达成上述目的,本发明的解决方案是:

    一种制备氧化锌掺铁室温磁性半导体的方法,采用纯度为99%的分析纯
    ZnO粉末和纯度为99%的分析纯Fe3O4粉末为原料进行混合研磨,然后将材料
    压制成片状或者不压片,并采用特有的烧结工艺,在高温电阻炉里进行大
    气氛围下的固相反应,完成室温磁性半导体的制备。

    所述的原料中Fe和Zn的摩尔比为(0.01-0.08)∶(0.99-0.92)。

    所述的材料压制成片状,需要良好半导体导电性能时,采用的原料中
    Fe和Zn的摩尔比优选为0.01∶0.99;所述的材料不压片时,采用的原料
    中Fe和Zn的摩尔比优选为0.08∶0.92。

    所述的压制成片的工艺包括如下步骤:

    ①在混合后的原料样品粉末中添加浓度为5%聚乙烯醇溶液粘结剂,再
    搅拌,碾磨均匀样品粉末;

    ②将搅拌均匀的样品粉末放入模具当中,轻轻抖动模具,使模具中的
    粉末分布均匀;

    ③将模具放到粉末压片机上,顺时针拧紧放油阀,匀速摇动杠杆,直
    到压力计指示到40Mpa为止;

    ④放置10分钟后,逆时针拧松放油阀,将模具取出;

    ⑤把模具倒转180度,放到粉末压片机上,在模具上依次放一桶状模
    具和垫片,顺时针拧紧放油阀,匀速摇动杠杆,直到样品被顶出模具,逆
    时针拧松放油阀,将模具及片状样品取出。

    所述的烧结工艺包括如下步骤:

    ①在大气氛围下烧结,不需要添加其他气体;

    ②要控制好烧结的温度变化,在烧制过程中,温度不能升得过快,多
    设温度平台,温度从常温开始,以不超过3℃/分钟的速度,升温至1150℃,
    烧结总时间在50小时;

    ③烧结完成后获得室温磁性半导体。

    本发明的有益效果为:采用固相反应法制备成功获得粉状、片状的
    FexZn1-xO(X为摩尔比)室温磁性半导体材料的方法工艺简化,不用球磨机
    研磨原材料环节,选用的制备工具、原材料低廉、产量大、填充性好、人
    工费用低,片状材料具有良好半导体导电性能;可以大量生产。其次烧结
    气氛环境要求简单,在大气下即可,生产成本低廉;而且本制备方法生产
    的FexZn1-xO粉状、片状材料具有良好的本征磁性半导体特征,无Fe、Fe氧
    化物颗粒存在(见图1所示);具有室温下的铁磁性能(见图2所示);
    且片状材料还具有良好的半导体导电性能(见图3所示)。本发明的新型磁
    性半导体材料可用于脉冲激光沉积法、溅射法等镀膜制备室温铁磁性
    FexZn1-xO薄膜的靶材,也可用于需要填充使用室温铁磁性半导体材料粉末的
    地方。

    附图说明

    图1为本发明固相反应法制备的FexZn1-xO材料的XRD图谱;图1中横
    坐标指2θ角度,纵坐标指衍射强度。

    图2为本发明利用振动样品磁强计(VSM)在室温下300K)测得的
    FexZn1-xO材料的磁化曲线图;图2中横坐标指外磁场强度H,纵坐标指质量
    磁化强度σ。

    图3为本发明利用霍尔效应测量仪在室温下(300K)测得的FexZn1-xO
    材料的RH-H图;图3中横坐标指外磁场强度H,纵坐标指霍尔电阻RH。

    图4为本发明利用振动样品磁强计(VSM)在室温下300K)测得的
    FexZn1-xO材料的磁化曲线图;图4中横坐标指外磁场强度H,纵坐标指质量
    磁化强度σ。

    具体实施方式

    实施例1

    制备粉末状的室温铁磁性半导体Fe0.08Zn0.92O材料

    将经过物相分析、磁性质检测合格的分析纯ZnO(99%)粉末和分析纯
    Fe3O4(99%)粉末,按照Fe∶Zn摩尔比为0.08∶0.92通过电子天平进行称量、
    混合、用玛瑙研钵进行研磨,使得氧化锌和四氧化三铁均匀混合。(Fe3O4∶ZnO
    的摩尔比为(0.08÷3)∶(0.92)=0.027∶0.92,那么称量的Fe3O4∶ZnO的质量
    比为(0.027*231.533)∶(0.92*81.37)=6.25∶74.86。)

    把充分混合的样品放入坩埚,置于高温电阻炉里进行大气氛围下的固
    相反应,要控制好烧结的温度变化,在烧制过程中,温度不能升得过快(不
    超过3℃/分钟),多设温度平台。温度设置从常温开始至1150℃之间,烧
    结总时间在50小时。完成粉末状的FexZn1-xO(X=0.08)室温磁性半导体的
    制备。待高温炉温度冷却到100℃以下,取出Fe0.08Zn0.92O样品,使用X射线
    衍射仪(XRD)测量样品的微观结构特征、物相分析成分、以及晶粒尺寸大
    小。图1为样品的X射线衍射图谱,如图1所示,Fe0.08Zn0.92O材料呈六角
    晶体纤锌矿结构,图中仅有ZnO的衍射峰,未发现Fe、Fe的氧化物的衍射
    峰,表明Fe离子进入Zn离子的晶格中。该材料属于本征磁性半导体。利
    用振动样品磁强计(VSM)测量样品的磁性质,见图2。如图2所示,Fe0.08Zn0.92O
    材料具有室温铁磁性,经计算,Fe0.08Zn0.92O材料中Fe离子的磁矩约为0.1uB。

    实施例2

    制备片状的室温铁磁性半导体Fe0.01Zn0.99O材料

    将经过物相分析、磁性质检测合格的分析纯ZnO(99%)粉末和分析纯
    Fe3O4(99%)粉末,按照Fe∶Zn摩尔比为0.01∶0.99通过电子天平进行称量、
    混合、放入玛瑙研钵,在样品粉末中添加浓度为5%聚乙烯醇溶液粘结剂,
    再搅拌,研磨使得氧化锌和四氧化三铁均匀混合。将搅拌均匀的样品粉末
    放入模具当中,轻轻抖动模具,使模具中的粉末分布均匀。将模具放到粉
    末压片机上,顺时针拧紧放油阀,匀速摇动杠杆。直到压力计指示到40Mpa
    为止。放置10分钟后,逆时针拧松放油阀,将模具取出。把模具倒转180
    度,放到粉末压片机上,在模具上依次放一桶状模具和垫片。顺时针拧紧
    放油阀,匀速摇动杠杆,直到压片样品被顶出模具。逆时针拧松放油阀,
    将模具及压片样品取出。Fe0.01Zn0.99O压片放入坩埚,置于高温电阻炉里进行
    大气氛围下的固相反应,要控制好烧结的温度变化,在烧制过程中,温度
    不能升得过快(不超过3℃/分钟),多设温度平台。温度设置从常温开始至
    1150℃之间,烧结总时间在50小时。完成片状的FexZn1-xO(X=0.01)室温
    磁性半导体的制备。待高温炉温度冷却到100℃以下,取出Fe0.01Zn0.99O样品,
    使用X射线衍射仪(XRD)测量样品的微观结构特征、物相分析成分、以及
    晶粒尺寸大小。图1为样品的X射线衍射图谱,如图1所示,Fe0.01Zn0.99O材
    料呈六角晶体纤锌矿结构,图中仅有ZnO的衍射峰,未发现Fe、Fe的氧化
    物的衍射峰,表明Fe离子进入Zn离子的晶格中。该材料属于本征磁性半
    导体。利用振动样品磁强计(VSM)测量样品的磁性质,测量显示Fe0.01Zn0.99O
    材料具有室温铁磁性,经计算,Fe0.01Zn0.99O材料中Fe离子的磁矩约为0.01uB。
    利用霍尔效应测量仪在室温下(300K)测得的Fe0.01Zn0.99O材料的RH-H图,
    见图3。如图3所示,Fe0.01Zn0.99O材料为N型半导体,载流子浓度约为1018cm-3。

    实施例3

    本实施例将经过物相分析、磁性质检测合格的分析纯ZnO(99%)粉末
    和分析纯Fe3O4(99%)粉末,按照Fe∶Zn摩尔比为0.05∶0.95通过电子天
    平进行称量、混合、用玛瑙研钵进行研磨。烧结时间为50小时。其余方法
    同实施例1,得到的Fe0.05Zn0.95O样品,使用X射线衍射仪(XRD)测量样品
    的微观结构特征、物相分析成分、以及晶粒尺寸大小可得材料也呈六角晶
    体纤锌矿结构,也未发现Fe、Fe的氧化物的衍射峰,表明Fe离子进入Zn
    离子的晶格中。该材料属于本征磁性半导体。利用振动样品磁强计(VSM)测
    量样品的磁性质,见图4,如图4所示,Fe0.05Zn0.95O材料具有室温铁磁性,
    经计算,Fe0.05Zn0.95O材料中Fe离子的磁矩约为0.03uB。

    由以上实施例可得:采用本发明的方法制备获得Fe含量不同的具有室
    温铁磁性和N型导电性能的掺Fe氧化锌磁性半导体粉末状和片状材料。
    FexZn1-xO材料的X值有一个固溶度的极限,获得FexZn1-xO室温磁性半导体最
    佳铁磁性能的成分比为X=0.08?;竦肍exZn1-xO室温磁性半导体电学性能的
    最佳成分比为X=0.01。

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