[发明专利]锰铜共掺杂ZnO稀磁半导体材料的制备方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲磁场作用下水热法制备锰铜共掺杂ZnO稀磁半导体材料的方法与装置，属于磁性半导体材料工艺制备技术领域。

背景技术

稀磁半导体（diluted magnetic semiconductor，DMS）同时具有电子的自旋属性和电荷属性，具有优异的磁光、磁电等性能，使其在高密度非易失性存储器、磁感应器、量子计算机等领域有着广阔的应用前景，被认为是制作下一代自旋电子器件的主要材料。

ZnO是一种直接宽禁带半导体材料，禁带宽度为3.37eV，室温激子束缚能约为60meV，远高于其它宽禁带半导体材料（如GaN, ZnS等），常温常压下为六方纤锌矿结构，具有高的热稳定性、化学稳定性以及优良的光电、压电、压敏、气敏等特性，广泛应用于紫外、绿光、蓝光等多种光电器件、太阳能电池、压电传感器、透明导电薄膜等领域。2000年，Dietl和Sato等通过理论计算预测，磁性过渡金属元素（transition metal，TM）掺杂的ZnO基DMS可能具有高于室温的铁磁性。因此，磁性TM掺杂ZnO基DMS引起了人们的极大关注。但是，ZnO基稀磁半导体材料的研究还存在着许多亟待解决的问题，其中最关键的问题之一是如何制备出形貌可控、掺杂均匀、具有室温铁磁性的样品。

目前，制备ZnO基稀磁半导体材料的方法有很多，其中水热法是一种在高温高压水溶液条件下生长晶体的方法。该方法合成的晶体具有晶体质量高、掺杂均匀等优点。依据晶格排列达到最低结合能的原则，掺杂的离子进入最佳的晶格位置，因此可以合成高质量、掺杂均匀的单晶体。

强磁场条件下材料制备及其研究进展（科学通报，2006，51(24): 2825-2829.）指出强磁场不仅可以用来控制金属熔体的对流和物质传输, 有效去除夹杂物；而且可以对磁性或者非磁性材料进行加工处理, 得到取向排列的新材料。这表明磁场在材料的制备过程中可以起到有效的控制纳米材料结构和性质的作用。

经文献检索发现，锰铜共掺杂有利于ZnO基稀磁半导体材料室温铁磁性的获得（Wang HB, Wang H, Zhang C, Yang FJ, Duan JX, et al. Preparation and Characterization of Mn and (Mn, Cu) Co-Doped ZnO Nanostructures. JOURNAL OF NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY, Vol.9, No.5, 2009, 3308-3312），还有许多文献报道表明利用共掺杂可以提高稀磁半导体材料的居里温度，与铜共掺杂可以提高载流子浓度，从而增强磁性离子间的耦合，提高居里温度（张跃等著，一维氧化锌纳米材料，北京：科学出版社，2010.2，第340页）。所以在脉冲磁场下利用水热法开展锰铜共掺杂ZnO稀磁半导体材料的研究具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种在脉冲磁场作用下利用水热法制备锰铜共掺杂ZnO稀磁半导体材料的方法。本发明方法制得的锰铜共掺杂ZnO粉末材料，纯度高、掺杂均匀、微观结构可控，某些工艺参数条件下制备的锰铜共掺杂ZnO稀磁半导体材料具有室温铁磁性。

本发明的另一目的是提供一种在脉冲磁场作用下利用水热法制备锰铜共掺杂ZnO稀磁半导体材料的装置。

本发明一种在脉冲磁场作用下利用水热法制备锰铜共掺杂ZnO稀磁半导体材料的方法，其特征在于该方法具有以下的工艺过程和步骤：

a.       用去离子水将锌盐（氯化锌、硝酸锌或醋酸锌可溶性锌盐）配制成0.95~1.05mol/L的锌离子溶液；配制碱性沉淀剂（氢氧化钠、氢氧化钾或氨水）溶液，浓度为1~2mol/L；配制共掺杂用锰（氯化锰、硝酸锰或醋酸锰可溶性锰盐）离子溶液，及铜（氯化铜、硝酸铜或硫酸铜可溶性铜盐）离子溶液，浓度均为0.02~0.05mol/L；其中沉淀剂与锌的摩尔比为4：1~6：1；

b.      取一定量的锌离子溶液、沉淀剂溶液、锰离子溶液、铜离子溶液于烧杯中，共掺杂金属离子和锌离子的摩尔比为1:100~5:100，用磁力搅拌器搅拌一段时间。将前躯体溶液移入反应釜中，填充度保持在50~80%，将反应釜密封；