[发明专利]一种具有室温铁磁性的C-Al2O3-δ复合薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有室温铁磁性的C-Al₂O_3-δ复合薄膜材料，属于半导体磁性纳米材料制备技术领域。

背景技术

随着纳米技术的发展，出现了一个横跨半导体和磁性材料的新型研究方向—自旋电子学。在自旋电子学中，电子是自旋的载体，可利用自旋进行信息的储存和传输。研究结果表明，磁性半导体可实现高效率的自旋注入。但是，由于磁性元素本身在半导体的固溶度不高，往往会有磁性杂质的析出，而且磁性元素的掺杂容易形成第二相，因此不进行任何掺杂的纯半导体的铁磁性研究引起了研究者的兴趣。目前，氧化物低维材料，如HfO₂薄膜、TiO₂、In₂O₃、ZnO和CeO₂纳米颗粒等由于其在自旋电子设备中的潜在应用价值而受到广泛关注。Sundaresan等人报道了Al₂O₃、CeO₂、ZnO、In₂O₃和SnO₂纳米颗粒的室温铁磁性, 例  如  文  献 ：Zywietz A, Furthmuller J, and Bechstedt F, Phys Rev B,11,62(2000)，认为铁磁性是纳米颗粒的普遍属性。该研究小组将Al₂O₃纳米颗粒以及相应块状样品的磁属性进行了比较。结果发现纳米颗粒样品在390 K表现铁磁性，并且有明显的磁滞现象，300 K时的饱和磁化强度为3.5×10^?3 emu/g，而块状样品则表现抗磁性。氧化铝是常见的宽带隙半导体材料，稳定性极强，耐腐蚀性高，可以在高温高辐射环境下工作。由于其在自旋电子学设备中的潜在应用价值，而倍受关注。但纳米颗粒的尺寸和密度影响样品的磁化强度，纳米颗粒应用于器件涉及到颗粒的粘附等，具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有室温铁磁性的C-Al₂O_3-δ复合薄膜材料，实现了将自旋电子学器件在半导体材料中的应用。

本发明解决其技术问题采取的技术方案如下：一种具有室温铁磁性的                                                复合薄膜材料，其中，选择C以及C含量是基于以下原理确定的：以IV族半导体为基础材料的半导体工艺发展成熟，C与Si，Ge等IV族元素相比，C的稳定性较强，即使与O发生了反应生成C的氧化物，也会挥发到空气中，大大减少了在样品中形成的杂质成分。利用界面对磁性影响，用氧化铝做为包覆基质，制备的C-Al₂O_3-δ复合薄膜。利用射频溅射的方法制备一系列不同C含量的C-Al₂O_3-δ复合薄膜，随着C含量的增加，样品的磁性先增强后减弱，当C含量超过4 vol%时，由于制备过程中的自退火效应，使得部分C颗粒聚集形成尺寸较大的团簇，这时C颗粒与Al₂O_3-δ基质之间的界面相对变小，界面缺陷减少，使得磁性减小。

具体的，本发明提供的一种具有室温铁磁性的C-Al₂O_3-δ复合薄膜材料，式中C的体积百分比≤10 vol%。

实验证明，当C-Al₂O_3-δ厚度为100 nm，C的含量为4 vol%时，样品的饱和磁化强度达到最强，为4.87 emu/cm³，剩余磁化强度和矫顽力也达到最大，分别为0.50 emu/cm³和175.60 Oe。

本发明的一种具有室温铁磁性的C-Al₂O_3-δ复合薄膜材料的制备方法包括以下步骤：

（1）选取单晶Si（100）作为基片，基片清洗过程：丙酮溶液浸泡并用超声波清洗10 min；去离子水冲洗，酒精浸泡并用超声波清洗10 min；去离子水冲洗，稀释的30% HF中浸泡1 min；去离子水冲洗，氮气吹干，避免磁性杂质的干扰，备用；