一種鐵磁半導(dǎo)體材料Li(Cd,Mn)P及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于I-II-V族半導(dǎo)體材料的鐵磁半導(dǎo)體材料，尤其涉及一種化 學(xué)結(jié)構(gòu)通式為Li(Cd,Mn)P的鐵磁半導(dǎo)體材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵磁性稀磁半導(dǎo)體是通過向半導(dǎo)體中摻雜磁性離子實(shí)現(xiàn)的。由于自旋電子器件 方面的應(yīng)用前景，早在20世紀(jì)90年代鐵磁性稀磁半導(dǎo)體體系就被廣泛研究（Zutic，I.et al.，Rev.Mod.Phys. 76, 323, 2004)。迄今研究最廣泛的是基于III-V族的稀磁半導(dǎo)體，即以 III族元素V族元素化合物為母相的半導(dǎo)體（Ohno,H.，Science281，951，1998)。然而III-V 族稀磁半導(dǎo)體也存在制作工藝，載流子與磁矩綁定等問題。
[0003] 最近報(bào)道的基于I-II-V族半導(dǎo)體材料的鐵磁性稀磁半導(dǎo)體Li(Zn，Mn) As較成功的解決了載流子與磁矩綁定的問題（Deng,Z.etal.，Nature Communications2:422, 2011)，其中的載流子與磁矩分別由Li離子與Mn離子提供，這為鐵 磁半導(dǎo)體機(jī)制的研究提供了便利。
[0004] 可以付諸實(shí)用的半導(dǎo)體材料需要載流子類型和濃度是可控的，這樣就可以通過摻 雜得到預(yù)期的材料。其中最為重要的應(yīng)用之一就是將電子型摻雜半導(dǎo)體與空穴性摻雜半導(dǎo) 體組合形成晶體管的基本單元PN結(jié)。然而，Li(Zn,Mn)As的載流子濃度約為1019-102°cm3， 其導(dǎo)電行為均表現(xiàn)為很強(qiáng)的金屬性。這意味著將很難改變它的載流子類型，也就無法得到 PN結(jié)。
[0005] 另外，Li(Zn,Mn)As中含有毒性元素As，在材料的使用和制造過程中容易造成人 員的身體損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于I-II-V族半導(dǎo) 體材料的鐵磁性稀磁半導(dǎo)體，其半導(dǎo)體性更強(qiáng)，載流子類型與濃度更容易被調(diào)節(jié)，且不含有 毒性元素As。
[0007] 本發(fā)明提供一種鐵磁半導(dǎo)體材料，其化學(xué)式為Liy(Cd1xMnx)P，其中 0? 6〈y〈l. 4, 0〈x〈0. 4。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明提供的鐵磁半導(dǎo)體材料，其中所述鐵磁半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)屬立方 晶系。
[0009] 本發(fā)明還提供一種制備上述鐵磁半導(dǎo)體材料的方法，利用固相反應(yīng)法，在與氧隔 離的環(huán)境中燒結(jié)前軀體，形成LiJCdixMnx)P，其中0. 6〈y〈l. 4, 0〈x〈0. 4,其中所述前軀體的 物質(zhì)選自如下物質(zhì)構(gòu)成的組：1^、0(1^11、？、1^3?、0(^^1^，其中各種物質(zhì)的含量滿足所要制 備的鐵磁半導(dǎo)體材料Li^CdixMnx)P中各種元素的配比，其中燒結(jié)溫度為550-950°C。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中所述燒結(jié)過程在常壓下進(jìn)行，燒結(jié)溫度為 600-900。。。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中所述燒結(jié)過程在高于一個(gè)大氣壓的壓力下進(jìn)行，燒 結(jié)溫度為550-950°C。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中所述壓力為l-20GPa。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中所述前軀體包括Li、CcUMn、P。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中所述前軀體包括Li3P、CcUMn、P、CdP、MnP。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中所述燒結(jié)過程在惰性氣體中進(jìn)行。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明提供的方法，其中所述燒結(jié)過程在真空環(huán)境中進(jìn)行。
[0017] 本發(fā)明提供的鐵磁半導(dǎo)體Li(Cd,Mn)P中不再含有毒性元素As，而且由于P元素的 電負(fù)性較As元素更高，且Cd元素的正電性比Zn元素強(qiáng)，使得Li(Cd,Mn)P具有良好的半導(dǎo) 體性，載流子濃度更容易調(diào)節(jié)，可以很好地用于自旋電子器件等各種器件中。
【附圖說明】
[0018] 以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中：
[0019] 圖1是本發(fā)明提供的鐵磁半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2是實(shí)施例1中Lia6Cda9MnaiP的電阻率隨溫度變化的曲線圖；
[0021] 圖3是實(shí)施例1中Lia6Cda9MnaiP的X射線衍射圖譜；
[0022] 圖4是實(shí)施例1中Lia6Cda9MnaiP的直流磁化率隨溫度變化的曲線圖；
[0023] 圖5是實(shí)施例2中LiuCda6Mna4P的電阻率隨溫度變化的曲線圖；
[0024] 圖6是實(shí)施例2中Lih4Cda6Mna4P的X射線衍射圖譜；
[0025] 圖7是實(shí)施例2中LiuCda6Mna4P的直流磁化率隨溫度變化的曲線圖；
[0026] 圖8是實(shí)施例3中LiuCda95Mnl^5P的電阻率隨溫度變化的曲線圖；
[0027]圖9是實(shí)施例3中LiuCda95Mna05P的X射線衍射圖譜；
[0028] 圖10是實(shí)施例3中LiuCda95Mnl^5P的直流磁化率隨溫度變化曲線圖；
[0029] 圖11是實(shí)施例4中LiuCda9MnaiP的電阻率隨溫度變化的曲線圖；
[0030] 圖12是實(shí)施例4中LiuCda9MnaiP的X射線衍射圖譜；
[0031] 圖13是實(shí)施例4中LiuCda9MnaiP的直流磁化率隨溫度變化的曲線圖；
[0032] 圖14是實(shí)施例5中Lia6CdasMna2P的電阻率隨溫度變化的曲線圖；
[0033] 圖15是實(shí)施例5中Lia6CdasMna2P的X射線衍射圖譜；
[0034] 圖16是實(shí)施例5中Lia6CdasMna2P的直流磁化率隨溫度變化的曲線圖；
[0035] 圖17是實(shí)施例6中LiuCda6Mna4P的電阻率隨溫度變化的曲線圖；
[0036] 圖18是實(shí)施例6中Lih4Cda6Mna4P的X射線衍射圖譜；
[0037] 圖19是實(shí)施例6中LiuCda6Mna4P的直流磁化率隨溫度變化的曲線圖；
[0038] 圖20是實(shí)施例7中Liu5Cda7Mnll3P的電阻率隨溫度變化的曲線圖；
[0039]圖21是實(shí)施例7中Liu5Cda7Mna3P的X射線衍射圖譜；
[0040] 圖22是實(shí)施例7中Liu5Cda7M%3P的直流磁化率隨溫度變化的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本 發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0042] 本發(fā)明提供了一種基于I-II-V族半導(dǎo)體材料的鐵磁半導(dǎo)體材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)通 式為Li^CdixMnx)P，其中 0.6〈y〈1.4,0〈x〈0.4,x，y表示原子百分比含量。Li^CdixMnx) P的晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有F-43m的空間對稱群，屬立方晶系，晶格常數(shù)范圍為： a=5.8-6.2A。
[0043] 實(shí)施例1
[0044] 本實(shí)施例提供一種鐵磁半導(dǎo)體材料的制備方法，包括：
[0045] 1)在充有惰性氣體的手套箱中將高純Li塊、Cd粉、Mn粉、P粉按照預(yù)定比例 (Lia6Cda^nlllP，質(zhì)量分別為Li塊0? 21克，Cd粉5. 06克，Mn粉0? 27克，P粉1. 55克）均 勻混合，并將混合物裝入氧化鋁陶瓷試管中；
[0046] 2)將裝有樣品的陶瓷試管真空封裝于石英管內(nèi)；
[0047] 3)將石英管放在高溫爐內(nèi)600°C的溫度下燒結(jié)20小時(shí)，燒結(jié)完成后得到 Li〇. ^Cd0.9Mn〇.iP〇
[0048] 本實(shí)施例的方法得到的樣品的電阻率隨溫度變化行為如圖2所示，表現(xiàn)出很好的 半導(dǎo)體性。樣品的X射線衍射圖譜如圖3所示，所有的衍射峰都可以找到對應(yīng)的衍射指數(shù)， 說明本實(shí)施例提供的方法制備出了高純度、結(jié)晶性良好的鐵磁半導(dǎo)體材料Lia6Cda9MnaiP。 樣品的直流磁化率與溫度的關(guān)系曲線如圖4,鐵磁轉(zhuǎn)變溫度為12K。
[0049] 實(shí)施例2
[0050] 本實(shí)施例提供一種鐵磁半導(dǎo)體材料的制備方法，包括：
[0051] 1)在充有惰性氣體的手套箱中將高純Li塊、Cd粉、Mn粉、P粉按照預(yù)定比例 (LiuCcUMn^P，質(zhì)量分別為Li塊0? 49克，Cd粉3. 37克，Mn粉I. 10克，P粉1. 55克）均 勻混合，并將混合物裝入氧化鋁陶瓷試管中；
[0052] 2)將裝有樣品的陶瓷試管真空封裝于石英管內(nèi)，并向石英管內(nèi)充入一定量的惰性 氣體；
[0053] 3)將石英管放在高溫爐內(nèi)900°C的溫度下燒結(jié)5小時(shí)，燒結(jié)完成后得到 LiL4Cd〇. 6Mn〇.4P〇
[0054] 本實(shí)施例的方法得到的樣品的電阻率隨溫度變化行為如圖5所示，表現(xiàn)出很好的 半導(dǎo)體性。樣品的X射線衍射圖譜如圖6所示，所有的衍射峰都可以找到對應(yīng)的衍射指數(shù)， 說明本實(shí)施例提供的方法制備的鐵磁半導(dǎo)體材料純度高、結(jié)晶性良好。樣品的直流磁化率 與溫度的關(guān)系曲線如圖7所示，鐵磁轉(zhuǎn)變溫度為25K。
[0055] 實(shí)施例3
[0056] 本實(shí)施例提供一種鐵磁半導(dǎo)體材料的制備方法，包括：
[0057] 1)在充有惰性氣體的手套箱中將高純Li3P、P、CcUMn、CdP、MnP按照預(yù)定比例 〇^1.不(1。.95111。.。 5?，質(zhì)量分別為1^孑1.24克，？0.20克，〇(13.37克，111〇.20克，〇(^3.87克，111 PO. 21克）均勻混合，將混合物裝入鈮管，并在惰性氣體的保護(hù)下將鈮管密封；
[0058] 2)將鈮管真空封裝于石英管內(nèi)；
[0059] 3)將石英管放在高溫爐內(nèi)750 °C的溫度下燒結(jié)15小時(shí)，燒結(jié)完成后得到 Li1.2Cd0.95Mn0.05P。
[0060] 本實(shí)施例的方法得到的樣品的電阻率隨溫度變化行為如圖8所示，表現(xiàn)出很好的 半導(dǎo)體性。樣品的X射線衍射圖譜如圖9所示，所有的衍射峰都可以找到對應(yīng)的衍射指數(shù)， 說明本實(shí)施例提供的方法制備的鐵磁半導(dǎo)體材料純度高、結(jié)晶性良好。樣品的直流磁化率 與溫度的關(guān)系曲線如圖10所示，鐵磁轉(zhuǎn)變溫度為28K.
[0061] 實(shí)施例4
[0062] 本實(shí)施例提供一種鐵磁半