[发明专利]一种复合型氧化钛基磁性材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种室温铁磁性碳纳米管复合氧化钛基稀磁半导体材料及制备方法。主要采用溶胶-凝胶法制备Ti_1-xTM_xO₂ 和TiO₂多晶粉末，并结合研磨及热处理等途径，制备在室温下具有改善的铁磁性的复合型氧化钛基磁性粉末。

背景技术

现代信息行业主要是利用半导体器件中电子的电荷自由度处理和传输信息，磁带、硬盘以及磁光盘等存储器件则是利用电子的自旋自由度来存储信息。如何将这两种性质结合起来探索新的功能材料，进一步增强半导体和磁性器件的性能，将是下一步发展的目标。传统的半导体材料中载流子的自旋没有得到充分利用的主要原因是信息行业中所用的材料绝大部分都是抗磁性的(如Si和GaAs等)。用磁性离子（过渡族金属元素或稀土元素）替代化合物半导体中的部分组成元素形成的稀磁半导体（DMS）开创了在半导体中利用和研究电子自旋性质的新领域。

稀磁半导体在近些年来受到了广泛的关注，因为这种材料因其与普通半导体截然不同的特性如巨法拉第效应，大的激子分裂，巨塞曼分裂等在自旋发光二极管、自旋激光器、自旋场效应器件、自旋量子信息处理等方面有着重要的应用前景，由此而产生的自旋电子学也引起了世界范围的研究热潮，而探索具有室温铁磁性的稀磁半导体便是其中的关键问题。

TiO₂为宽禁带半导体，在很多不同领域有应用，如压电传感器，荧光，透明导电薄膜等，并且价格便宜，储量丰富，又具有环境友好性，一旦具有室温铁磁性的TiO₂基稀磁半导体材料研制成功，可大量生产，广泛应用。

Murugan等通过第一性原理计算，认为对于TiO₂，选择适当的元素共掺杂形成稳定的交换耦合，有利于提高室温铁磁性，Zhang等人也经过试验得出一致结果。尽管磁性离子能进入化合物半导体中得到一定的室温铁磁性，由于工艺条件的限制，掺杂浓度不能过高，导致了磁性能始终处于较低水平。

为了提高稀磁半导体室温下的磁性能，近几年研究人员尝试了各种不同的方法，包括p型掺杂、n型掺杂等，但对于TiO₂来说，缺陷掺杂并不容易实现。Gamelin、Onattu D.Jayakumar等人通过研究，指出各种晶界缺陷可能对过渡金属掺杂的氧化物半导体磁性交换作用有及其重要的影响，但具体的影响结果及机理尚有待证实。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合型氧化钛基磁性材料及制备方法。

本发明通过较简单的化学法制备TiO₂基稀磁半导体材料，得到室温下铁磁性，并且在此基础上，通过与TiO₂复合，对其能否通过改变晶界缺陷的方式来提高TiO₂基稀磁半导体室温磁性能进行探讨。

复合型氧化钛基磁性材料，是由重量比为1：3～5的氧化钛基稀磁半导体材料和二氧化钛复合而成，氧化钛基稀磁半导体材料的分子结构式为Ti_1-xTM_xO₂，TM代表过渡金属元素Fe、Co、Ni或Mn,其摩尔百分比浓度为0＜x≤10%，二氧化钛分子式为TiO₂。

复合型氧化钛基磁性材料制备方法包括如下步骤：

1）将摩尔百分比浓度为1-x%：x%的钛酸丁酯、过渡金属盐分别溶入由70ml无水乙醇和30ml去离子水组成的混合溶液中，并加入2ml硝酸作为稳定剂，适量浓度为0.1mol/L的柠檬酸为络合剂，配置溶液的浓度为0.5～0.7mol/L，在室温下经磁力搅拌至完全溶解后，前驱体溶液继续搅拌2h，于室温陈化48h，得到透明、均匀的溶胶；

2）将溶胶在80～100℃真空干燥箱内烘24～30小时，得到凝胶；

3）将凝胶在400～450℃下热处理3～5小时，并随炉冷却，得到氧化钛基稀磁半导体多晶粉末；

4）将17～24g钛酸丁酯溶入由70ml无水乙醇和30ml去离子水组成的混合溶液中，并加入2ml硝酸作为稳定剂，适量浓度为0.1mol/L的柠檬酸作为络合剂，配置溶液的浓度为0.5～0.7mol/L，在室温下经磁力搅拌至完全溶解后，前驱体溶液继续搅拌2h，于室温陈化48h，得到透明、均匀的溶胶；

5）将溶胶在80～100℃真空干燥箱内烘24～30小时，得到凝胶；

6）将凝胶在400～450℃下热处理3～5小时，并随炉冷却，得到二氧化钛多晶粉末；