具有室溫鐵磁性Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種具有室溫鐵磁性Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜及其制備方法，屬于新型半導(dǎo)體自旋電子器件材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜是構(gòu)成自旋電子器件的核心材料，具有自主磁注入、與常規(guī)半導(dǎo)體晶格失配小、磁輸運(yùn)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是目前國際上研究的熱點(diǎn)材料?；谶@類材料設(shè)計(jì)的自旋電子學(xué)器件如Spin-FET、Spin-MTJ, Spin-LED等能夠?qū)崿F(xiàn)信息的處理、傳輸和存儲功能的統(tǒng)一，與常規(guī)電子學(xué)器件相比具有速度更快、體積更小、耗能更低的優(yōu)勢，在將來的運(yùn)算、存儲器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Cu摻雜ZnO薄膜材料具有高于室溫的內(nèi)稟鐵磁屬性、綠光譜段發(fā)射等特性，是一種有巨大應(yīng)用潛力的稀磁半導(dǎo)體材料。
[0003]目前ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜已有少量的專利報(bào)道。例如，專利公開號CN101615467A的專利公開了一種Cr摻雜ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的制備方法。該方法采用Cr和ZnO雙靶共濺射，在Si基片上制備了具有室溫鐵磁性的Cr摻雜ZnO薄膜。專利公開號CN101483219A的專利公開了一種，Co-Ga共摻雜的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜及其制備方法。該方法以純ZnO、Co2O3, Ga2O3粉末混合燒結(jié)陶瓷片作為靶材，采用脈沖激光沉積法在硅、藍(lán)寶石或玻璃襯底上進(jìn)行制備。專利公開號CN103074576A的專利公開了一種ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜及其制備方法。該方法以分析純的金屬硝酸鹽為原材料，通過水溶液共沉淀法得到摻雜的ZnO粉末，然后采用固相燒結(jié)得到陶瓷靶材，再通過脈沖激光沉積法制備成Mn和Cd摻雜的ZnO薄膜。
[0004]然而，在已報(bào)道的專利中，研究者主要側(cè)重于ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜本身鐵磁屬性的獲得、居里溫度的提高以及制備方法的研究，這離ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜的器件化應(yīng)用還存在較遠(yuǎn)的距離。柱狀納米晶材料具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能，可以作為自旋電子學(xué)器件中核心的磁光、磁電誘發(fā)材料。因此可以說，成功制備具有室溫鐵磁性的ZnO納米柱狀晶薄膜是實(shí)現(xiàn)稀磁半導(dǎo)體材料在自旋電子學(xué)器件中應(yīng)用的重要一步。因此，對具有室溫鐵磁性的Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜制備方法的開發(fā)就很有必要。然而目前還沒有關(guān)于具有室溫鐵磁性Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜及其制備方法的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為實(shí)現(xiàn)ZnO稀磁半導(dǎo)體在自旋電子學(xué)器件中的實(shí)際應(yīng)用，本發(fā)明的目的在于提供一種具有室溫鐵磁性Cu摻雜Zn0納米柱狀晶薄膜及其制備方法。
[0006]—方面，本發(fā)明提供一種具有室溫鐵磁性Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜，所述薄膜的化學(xué)式為Zn1 xCux0，其中0.01 < X < 0.1，所述薄膜具有室溫鐵磁性，所述薄膜的微觀形貌在納米尺度范圍內(nèi)呈柱狀晶形態(tài)，柱體結(jié)構(gòu)分布均勻、排列整齊。
[0007]本發(fā)明的Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜的微觀形貌在納米尺度范圍內(nèi)呈柱狀晶形態(tài)，這一方面使薄膜具有擇優(yōu)方向的光導(dǎo)和電導(dǎo)性能，另一方面也使薄膜具有更大的比表面積，從而使得該類型薄膜具有優(yōu)異的磁電、磁光性能。本發(fā)明的Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜具有室溫鐵磁性，其室溫飽和磁化強(qiáng)度為0.06?1.0emu/cm3。
[0008]較佳地，所述薄膜的厚度為100?lOOOnm。
[0009]較佳地，單個(gè)柱體的直徑為70?lOOnm。
[0010]另一方面，本發(fā)明還提供上述具有室溫鐵磁性Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜的制備方法，包括以下步驟:
(1)將晶向?yàn)椤?00〉的單晶Si襯底進(jìn)行快速退火處理；
(2)以Zn1xCux0為靶材，采用電磁場約束電感耦合等離子體增強(qiáng)氣相沉積法在步驟(I)所得的襯底上沉積Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的制備方法，可以制得具有室溫鐵磁性的Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜。本發(fā)明采用耗材成本低，工藝簡單，易于大量制備。
[0012]較佳地，步驟(I)中，所述快速退火處理包括:將清洗干凈的所述襯底在Ar/^混合氣氛下于300?700°C退火I?5分鐘，其中Ar和O2的氣壓比為10: (0.5?1.5)。
[0013]較佳地，步驟(2)中，所述電磁場約束電感耦合等離子體增強(qiáng)氣相沉積法的工藝參數(shù)包括:濺射氣氛為高純Ar和02，Ar和02的比例為4: (0.1?2)，腔室中的氣體壓強(qiáng)保持為0.5?2Pa，襯底溫度為300?500°C，濺射功率為50?150W，濺射時(shí)間為I?3h。
[0014]較佳地，濺射中保持襯底和靶材固定不動。
[0015]較佳地，Zn1 xCux0靶材的制備方法包括:
將CuO粉末和ZnO粉末按照原子比例進(jìn)行混合，Cu原子濃度X范圍為
0.01 彡 X 彡 0.10 ;
將混合粉料進(jìn)行研磨、壓制成型；以及采用固相反應(yīng)法對壓制成型的靶材坯體進(jìn)行燒結(jié)。
[0016]較佳地，所述燒結(jié)是在空氣氛圍下于1000?1200°C保溫12?36小時(shí)。
【附圖說明】
[0017]圖1為采用掃描電子顯微鏡對所制備的Zna97CUa(]30薄膜進(jìn)行表面形貌測試獲得的表面形貌圖；
圖2為采用掃描電子顯微鏡對所制備的Z%97CUa(]30薄膜進(jìn)行斷面形貌測試獲得的斷面形貌圖；
圖3為采用超導(dǎo)量子干涉磁強(qiáng)計(jì)在室溫下對所制備的Zna97CuaraO薄膜進(jìn)行鐵磁性能測試獲得的M-H圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0019]本發(fā)明一方面提供一種具有室溫鐵磁性Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜，其化學(xué)式為Zn1 xCux0，其中0.01 < X < 0.1。所述薄膜具有室溫鐵磁性，其居里溫度超過室溫。采用超導(dǎo)量子干涉磁強(qiáng)計(jì)測試，其室溫飽和磁化強(qiáng)度可為0.06?1.0emu/cm3。
[0020]圖1和圖2分別示出本發(fā)明一個(gè)示例的薄膜的表面形貌圖和斷面形貌圖?？梢钥闯觯景l(fā)明的薄膜的微觀形貌在納米尺度范圍內(nèi)呈柱狀晶形態(tài)，柱體結(jié)構(gòu)分布均勻、排列整齊。較均勾地，柱體的高度分布在600?800nm，薄膜的厚度分布在800?850nm，單個(gè)柱體的直徑分布在75?95nm。
[0021]本發(fā)明可以以Zn1 xCux0(x = 0.01?0.1)為革巴材，采用電磁場約束電感親合等離子體增強(qiáng)氣相沉積法在經(jīng)快速退火處理的單晶Si (100)襯底上制備Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜。
[0022]ZnlxCuxO靶材的制備方法不限，例如可采用固相反應(yīng)法制備。在一個(gè)示例中，Zn1 xCux0靶材的制備方法包括:將CuO粉末和ZnO粉末混合，進(jìn)行研磨、壓制成型操作，然后采用固相反應(yīng)法燒制Zn1 xCux0(x = 0.01?0.1)革巴材。在一個(gè)更優(yōu)選的示例中，Zn1 xCux0靶材的制備方法包括:(a)按照Zn1 xCux0(X = 0.01?0.1)設(shè)定的原子比例稱量純度彡99.99%的CuO粉末和純度彡99.99%的ZnO粉末，將這些粉末混合在一起，放入研磨罐中；(b)采用改進(jìn)型臥式球磨機(jī)(授權(quán)公告號:CN203235523U)對裝入研磨罐中的CuO和ZnO粉料進(jìn)行充分研磨；(c)將研磨后的CuO和ZnO混合粉料按照靶材尺寸進(jìn)行壓制成型；(d)將壓制成型的Zn1 xCux0(x = 0.01?0.1)坯體放入燒結(jié)爐，在空氣氣氛和1100°C條件下進(jìn)行充分燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間可為12?36小時(shí)。
[0023]襯底的處理:本發(fā)明中，可選用單晶Si〈100>為襯底，并對其進(jìn)行快速退火處理。在一個(gè)示例中，襯底的處理包括:(a)將單晶Si〈100>襯底按照標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝清洗；(b)將清洗干凈的單晶Si〈100>襯底放入快速退火爐中，在Ar氣氛條件下將溫度快速升至300?700°C，優(yōu)選為600。。； (c)將單晶Si〈100>襯底在氣壓比為10: (0.5?1.5)(優(yōu)選為10:1)的Ar: O2氣氛中退火I?5min，優(yōu)選為lmin，然后快速降溫，例如降溫速率可為30?100°C /min0
[0024]薄膜的制備:采用電磁場約束電感耦合等離子體增強(qiáng)氣相沉積薄膜系統(tǒng)進(jìn)行濺射，在單晶Si〈100>襯底上制備Cu摻雜ZnO納米柱狀晶薄膜。在