[发明专利]一种磁性半导体材料及其制备方法

说明书

本发明涉及自旋电子学材料领域，具体涉及一种磁性半导体材料及其制备方法；其化学式为AB_1‑yC_yX₃，其中y=0‑0.1，A为Ca、Sr和Ba中的一种，B为Ti、Zr和Hf中的一种，X为S或Se，C为Mn、Fe和Co中的一种；由于硫族钙钛矿具有与氧化物钙钛矿相似的化学式和结构，当氧化物钙钛矿中的氧离子被硫族(S,Se)离子替代后它们的结构会发生畸变，由此引起电子结构的显著变化，相应地其带隙宽度与光电性质也会随之改变。并用具有局域磁矩的3d过渡族金属C(Mn、Fe、Co)取代B位阳离子，材料可表现出长程磁有序。因此，采用本发明设计并制备的硫族磁性半导体材料极大地丰富磁性半导体材料的可选择性，从而为设计新型的高居里点自旋电子学材料和器件提供可能。

技术领域

本发明涉及自旋电子学材料领域，具体涉及一种种磁性半导体材料及其制备方法。

背景技术

半导体自旋电子学将电子自旋这一自由度用于逻辑操作与信息存储，为超越CMOS电子器件提供了新的可能。自旋电子学中的一类重要材料是磁性半导体，它兼具磁性和半导体性质，可以同时调控电子的电荷和自旋属性，实现逻辑与存储功能，为电子器件提供诱人的应用前景。

磁性半导体材料已经展示出了广阔的应用前景。例如可以将磁性半导体材料用作电极实现自旋极化的载流子向非磁性半导体中的注入，以解决磁性金属电极与半导体电阻失配的问题；亦可用于自旋极化发光二极管的制造。而对于某些铁磁层/无磁层的多层异质结构，如GaMnAs/AlGaAs/GaMnAs等，通过调节外部参数如温度、电场等，可以控制半导体层中的载流子浓度以及磁性层间的磁耦合，这一特性能够应用于制造磁控、光控等新型超晶格器件。然而通常磁性半导体具有较低的磁矩和居里温度，使其实际应用受到局限。因此，提高磁性半导体的居里温度、探索新的磁性半导体材料已经成为半导体自旋电子学领域研究的一个热点。

硫族钙钛矿(ABX₃，其中A=Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺；B=Ti⁴⁺、Zr⁴⁺、Hf⁴⁺；X =S^2-、Se^2-)是一类新兴的半导体功能材料，具有独特的电子结构与光电性质。近期理论与实验结果均表明这类材料是具有高光学吸收系数的直接带隙半导体，且其禁带宽度远小于对应的氧化物钙钛矿，因而在可见和红外光区有强烈吸收。强的光吸收性质和良好载流子输运性质的罕见组合，使得硫族钙钛矿具有作为光电材料的巨大潜力。如果在硫族钙钛矿中引入磁有序，就可以调控其居里温度和磁矩，并为甄选具有高转变温度的磁性半导体提供可能。如在硫族钙钛矿材料中用具有局域磁矩的3d过渡族金属取代B位阳离子，材料可表现出长程磁有序。

综上所述，设计并获得性能稳定的具有高居里点的可调控的磁性半导体材料尚属技术难题。

发明内容

本发明目的是设计并获得一种新型的磁性半导体材料。借助固相反应法和化学气氛烧结法获得硫族钙钛矿半导体，通过采用具有局域磁矩的3d过渡族金属取代B位阳离子，在硫族钙钛矿半导体中引入铁磁性，并且通过改变掺杂金属的掺杂量实现对材料磁性的调控。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种磁性半导体材料，其化学式为AB_1-yC_yX₃，其中y=0-0.1，A为Ca、Sr和Ba中的一种，B为Ti、Zr和Hf中的一种，X为S或Se，C为Mn、Fe和Co中的一种。

另外，本发明还提供上述磁性半导体材料的制备方法，包括以下步骤：

1）按化学计量比进行配料，原料为相应金属的氧化物或者碳酸盐（如BaCO₃，ZrO₂和MnO₂等），将原料混合后置于球磨机中进行球磨充分混合；

2）将步骤1)的混合物在马弗炉中进行煅烧，采用固相反应法获得硫族钙钛矿相应的氧化物粉末；