[发明专利]一种具有光控强室温铁磁性的β-FeSi2纳米六面体颗粒及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有光控强室温铁磁性的β-FeSi₂纳米六面体颗粒及其制备方法，属于 磁性半导体领域。

背景技术

随着晶体管的不断微型化和电子元器件的小型化，半导体器件尺寸正在量子相干效应设 定的极限附近，为此需要开创新的信息处理机制。传统的电子学主要依赖于电子的电荷属性， 而自旋是电子的另一个内禀属性，通过电子自旋的控制可以增加信息处理的自由度。自旋电 子学同时调控电子的电荷和自旋两种属性，进行信息读取、传输和处理，可以提高数据处理 速度，降低耗电量，增加集成度并且解决当下信息存储的“易失性”问题。

实现半导体自旋器件的首要条件是注入自旋极化电流，因此，制备自旋极化材料是自旋 电子学的重中之重。半金属铁磁体由于块体、表面以及界面的电子结构并不相同，异质结界 面处实验表明自旋极化率远低于理论值。铁磁金属具有较高的自旋极化率，但由于与半导体 电导的失配导致自旋在界面处发生严重散射。磁性半导体由于具有半导体导电性和铁磁材料 的自旋极化，是自旋极化电流注入的理想材料。

在磁性半导体的研究中，掺杂的Ⅲ-Ⅴ族稀磁半导体，其居里温度低于室温，而对于宽 禁带磁性半导体，一些报道表明其居里温度可高于室温，然而，不同的实验报道结果千差万 别，对于磁性的起源也是众说纷纭，同时由于磁性杂质的溶解度低，仅能获得较弱的磁性。 此外，硅是目前半导体领域的支柱材料，它同时也具有低的自旋-轨道散射和倒格子对称性， 从而拥有了较大的自旋寿命和扩散长度，有望在自旋电子学中大展宏图，然而由于硅基磁性 材料的缺乏，硅基自旋电子学的发展相对落后。

因此，寻找室温铁磁性的硅基半导体材料具有重大意义。

在当今的CMOS微电子器件中，金属硅化物作为硅和金属界面处的连接而无处不在，很 有希望成为构建硅基自旋电子学基础的材料。其中，硅化铁材料有很高的生态学价值，它的 组成元素的无毒性以及现阶段地球上储备的充足性使得它有望成为重要的环境友好型材料。 在铁硅化合物中，半导体相β-FeSi₂由于在光电子和光伏器件方面的广泛应用而格外引人注 目。对于半导体多面体纳米颗粒，由于晶体的各向异性，不同的晶面具有不同的表面原子排 布和电子能带结构，特定的晶面不成对的自旋电子和自然存在的悬挂键相互作用可以引起磁 性。因此，通过暴露纳米颗粒的特定晶面是引入磁性的一种方法。此外，近年来随着信息存 储密度不断提高，磁场驱动的写入不仅变得越来越困难，而且存在速度慢、噪声大、能耗高 等诸多问题。大多数情况下，铁磁半导体的磁学性质和载流子有关，在光照条件下，纳米颗 粒表面载流子浓度的改变将对磁性起到调节作用，这将为磁信息的光写入提供可能。如果能 够通过β-FeSi₂纳米颗粒的晶面诱导引入室温铁磁性，不仅能够得到室温磁性半导体，而且其 集优异的光电性能与磁性于一身，将进一步拓展材料用途，存在巨大的应用前景。

发明内容

针对现有磁性半导体的不足，本发明目的旨在于，提供一种β-FeSi₂纳米六面体颗粒及简 单、有效的方法制备出强的室温硅基磁性半导体，该半导体磁性对光的响应灵敏。

本发明的技术方案：一种具有光控强室温铁磁性的β-FeSi₂纳米六面体颗粒，所述纳米六 面体颗粒是具有两个{100}面和四个{011}侧面的β-FeSi₂纳米立方体颗粒；该纳米六面体颗粒 在室温下显示出高达15emu/g的铁磁性，在激光辐照条件下，铁磁性会变成顺磁性，撤去光照 后，铁磁性重新恢复，实现了光对磁性的调控。纳米颗粒强室温磁性起源于表面铁原子层附 近的局域磁矩与表面态巡游电子的相互作用，其磁性具有形貌和尺寸依赖性，不规则形貌和 小于150nm的颗粒不具有磁畴结构。

所述的具有光控强室温铁磁性的β-FeSi₂纳米六面体颗粒的制备方法，其特征在于：制备

按如下步骤进行：

步骤1：将清洗干净的直径为4-10cm的石英管水平放置在具有两个中心相距31.5±10cm 温区的管式炉中；

步骤2：将盛有0.056g纯度99.5％以上的无水氯化亚铁粉末的石英舟和洁净的电阻率为 25-100Ω·cmP型硅片，分别放入两个温区中；

步骤3：石英管整体放入管式炉中，使石英舟和硅片分别对应上下游温区的中心；