[发明专利]一种可见光响应的磁性钽酸钠及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁性半导体，特指一种可见光响应的磁性钽酸钠及其制备方法，是一种新型磁性半导体钽酸钠(NaTaO₃)的制备方法，具体涉及一种磁性过渡金属掺杂NaTaO₃的光学与磁学性能调控方法，属于磁性半导体制备技术范畴。

背景技术

磁性半导体由于其同时利用半导体中电子的电荷与自旋特性，使其成为未来半导体存储器件的一个重要分支，且外加电场对磁性半导体的铁磁性具有重要调控作用。太阳能电池则是通过半导体光电效应或光化学效应直接将太阳光能转化为电能，太阳能电池和磁性半导体的结合则可以摆脱电场，直接实现太阳能对磁性的调控，在新型节能半导体存储器件开发中具有潜在应用价值；然而目前大部分研究单纯集中于掺杂对半导体磁性或光学性质的研究，即磁性半导体或太阳能电池的单一研究，很少有人关注掺杂对半导体磁性与光学性质的共同调控；钛矿型化合物由于其结构和组成的多样性，成为光电、铁电、铁磁等领域极具潜力的新型半导体材料，其中，NaTaO₃由于其层状结构有利于电子与空穴的分离，已成为光催化和太阳能电池的一种潜在半导体材料，然而其带隙较宽(3.9eV)，只能在紫外光下受激发，导致其对太阳光的利用率较低；Zhou等人通过理论计算表明(Mn、Fe、Co)掺杂NaTaO₃可以实现对其光学带隙的调控，使其在可见光有较强吸收(X.Zhou,J.Shi,C.Li.J.Phys.Chem.C,2011,115(16):8305-8311)；我们的前期研究成果已表明，(Mn、Fe)共掺杂半导体ZnO对其铁磁性的产生具有重要贡献(J.Fan,F.Jiang,Z.Quan,et al.Mater.Res.Bull.,2012,47(11):3344-3347)；然而，对于(Mn、Fe、Co)掺杂NaTaO₃使其具有铁磁性的研究尚未报道，若在NaTaO₃半导体中通过掺杂3d过渡金属可以同时实现对其光学带隙和铁磁性的调控，使其集光电与铁磁为一体，它将是一种良好的太阳能直接控制半导体铁磁性的节能存储材料。

发明内容

基于外加电场调控半导体铁磁性所带来的器件加工复杂和高能耗，我们提出一种可同时调控NaTaO₃半导体光学带隙和铁磁性的制备方法，实现太阳能对半导体磁学性能的直接调控，为节能存储器件的开发提供重要指导。

为此，本申请所采取的技术方案为：

所述磁性钽酸钠NaTa_1-xM_xO₃(M＝Mn、Fe、Co)的制备方法，包括：(1)将五氧化二钽(Ta₂O₅)粉体与氢氧化钠水溶液充分混合，得到强碱条件下的Ta₂O₅悬浊液；(2)向上述悬浊液中加入M掺杂源；(3)将步骤(2)所得悬浊液置于高压反应釜中，在180-280℃下反应6-24h；(4)所述步骤(3)反应结束后，冷却至室温，洗涤反应产物并烘干得到NaTa_1-xM_xO₃磁性钽酸钠粉体。

上述磁性钽酸钠NaTa_1-xM_xO₃的制备方法中，步骤(2)中掺杂源M(M＝Mn、Fe、Co)的物质的量为x mmol，0.05≤x≤0.4；所述步骤(1)中所加Ta₂O₅粉体物质的量为(1-x)mmol，氢氧化钠物质的量n mmol(20≤n≤30)，即五氧化二钽与M掺杂源的物质的量之和与氢氧化钠的物质的量n之比为1：n(20≤n≤30)，其溶液物质的量浓度为c mol/L(0.50≤c≤0.75)。

上述磁性钽酸钠NaTa_1-xM_xO₃的制备方法中，所述步骤(2)中，掺杂源M为一水合硫酸锰(MnSO₄·H₂O)，无水氯化铁(FeCl₃)或六水合硝酸钴(Co(NO₃)₂·6H₂O)。

上述磁性钽酸钠NaTa_1-xM_xO₃的制备方法中，所述步骤(4)中，烘干温度为60-80℃。