[发明专利]一种黄铜矿结构的稀磁半导体材料及其制备方法

说明书

本发明公开了属于稀磁半导体材料制备技术领域的一种黄铜矿结构的稀磁半导体材料及其制备方法。该稀磁半导体材料的化学式为CuS_1‑xT_xTe₂；其中，S为Ga或In，T为Co、Mn、或Fe，x＝0‑0.4。根据CuS_1‑xT_xTe₂的化学计量比配置Cu、S、T、Te四种单质元素；将Cu、S、T熔炼成Cu‑S‑T前驱合金后与Te混合研磨成粉并压制成片，对其热处理后冷却，然后真空研磨成粉并烘干后得到粗品，经抽滤后得到该稀磁半导体材料。制成稀磁半导体材料更好地控制了非挥发性元素与挥发性元素之间的化学比例，并通过控制热处理时的温度，获得了杂相较少、成分均匀且具有室温铁磁性的黄铜矿结构的稀磁半导体材料。

技术领域

本发明属于稀磁半导体材料制备技术领域，具体涉及一种黄铜矿结构的稀磁半导体材料及其制备方法。

背景技术

稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors,DMS)一般是通过在半导体中引入少量的磁性离子而得到，可以将电荷自由度和自旋自由度结合起来，同时具备了磁性材料和半导体材料的特性，可以利用载流子控制技术产生磁性。稀磁半导体材料具有很多独特的性质，如巨磁光效应、巨负磁阻效应、反常霍尔效应等。这类材料在新型磁电、磁光和光电器件领域展现出了非常广阔的应用前景。从而稀磁半导体材料作为一种新兴的功能材料获得了广泛的关注。但是决定稀磁半导体能否具有实际应用的关键是在室温以及高于室温时，能否依旧保持铁磁性。因此制备具有室温铁磁性的稀磁半导体材料成为人们研究的热点。

Dietl采用平均场近似从理论上预言了氧化锌(ZnO)可以通过元素掺杂得到室温铁磁性的稀磁半导体。人们选择不同原料，采用化学气相沉积、脉冲激光沉积、分子束外延等方法来制备ZnO基稀磁半导体。然而这些方法或是需要特殊的仪器，在高温条件下经过复杂的操作过程才可以制备出材料，或是得到的材料中含有杂相等缺陷。有研究公开了一种Fe掺杂ZnO的制备方法，虽然依据该方法可以获得室温稀磁半导体材料，但其工艺过程复杂，而且Fe掺杂量≤2％，致使磁性能仍处于较低水平。典型的Ⅲ-Ⅴ基稀磁半导体(Ga，Mn)As和(Ga,Mn)N，Mn²⁺对Ga³⁺的不等价替换使得其化学溶解度很有限，所以制备时只能采用外延薄膜的技术，并且载流子和自旋不能分别进行调控。虽然其铁磁转变温度可以达到180K,但还是远低于室温。也有基于Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族半导体LiZnAs的稀磁半导体Li(Zn，Mn)As被成功制备，但是其50k的铁磁转变温度要远远低于实际应用的要求。

InP因其优异的光学性质成为光学和高速电子器件的热点研究材料。人们希望通过对InMnP稀磁半导体的研究，对其自旋性质也加以利用。Yoon等人通过Zn、Mn共掺，成功获得了居里温度约360K的InMnP:Zn样品，为该材料的实际应用提供了可能。但目前主要是通过MBE分子束外延生长或离子注入技术制备获得，这些方法不仅设备成本以及材料生长成本昂贵，而且工艺程序复杂，难以操作。对于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ₂基的黄铜矿结构稀磁半导体，有理论研究预测，磁性离子(eg.Mn²⁺)占据Ⅲ晶位会使该稀磁半导体有铁磁性。但是，CuInTe₂:Mn和CuInSe₂:Mn稀磁半导体中未观察到室温铁磁性。Jinlei Yao等人发现在Cu(In，Mn)Se₂稀磁半导体中，Mn²⁺离子更容易占据Cu²⁺晶位，会使该稀磁半导体具有反铁磁性。

发明内容

本发明针对现存问题，其目的在于提供一种具有室温铁磁性的黄铜矿结构的稀磁半导体材料以及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：