專利名稱：一種摻雜銅的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納米棒的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非磁性金屬離子摻雜的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納米棒及其制備方法，特 別是一種摻雜銅的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納米棒的制備方法。
背景技術(shù)：
自從在(Ga，Mn)As中發(fā)現(xiàn)載流子誘導(dǎo)鐵磁現(xiàn)象以來(lái)，稀磁半導(dǎo)體引起了人們廣泛 的興趣。作為一代新型的自旋電子學(xué)材料，稀磁半導(dǎo)體是在傳統(tǒng)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)上引入自旋 這一新的自由度。因此，它可能產(chǎn)生全新概念的電子器件，具有很好的商業(yè)應(yīng)用前景。但是， 從工業(yè)應(yīng)用的角度出發(fā)，只有較高居里溫度的稀磁半導(dǎo)體才具有廣泛的用途。為了尋找室 溫可用的高居里溫度稀磁半導(dǎo)體材料，人們逐漸把目光集中到寬能隙半導(dǎo)體相關(guān)材料的研 究上。近幾年，以III族氮化物為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件發(fā)展迅猛，對(duì)信息科學(xué)技 術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起到了巨大的推動(dòng)作用，被稱為繼以Si、GaAs為代表的第一、第二代半導(dǎo) 體后的第三代半導(dǎo)體。在這些III族氮化物材料中，A1N是一種帶隙最寬的半導(dǎo)體，它具有 高熱導(dǎo)率、高硬度、與硅相近的熱膨脹率、無(wú)毒性、良好的介電性質(zhì)和化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，氮 化鋁薄膜又是重要的藍(lán)光、紫光發(fā)光材料。對(duì)一維A1N納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁性離子摻雜，有望實(shí) 現(xiàn)大的自旋極化載流子濃度、高的居里溫度，從而將一維A1N結(jié)構(gòu)優(yōu)異的光電子功能與稀 磁半導(dǎo)體獨(dú)特的自旋電子功能相結(jié)合，成為短波段光電磁功能集成型納米自旋光電子器件 的理想材料。有報(bào)道摻雜磁性離子在A1N中獲得良好鐵磁性的，但非磁性離子Cu金屬摻雜 在A1N結(jié)構(gòu)中的研究，大多都還在理論推算階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種摻雜銅的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納 米棒的制備方法。本發(fā)明采用直接氨化法來(lái)制備AlCuN納米棒，主要是通過(guò)原材料按不同 比例進(jìn)行物理混合，使得在高溫氨化時(shí)Cu離子占據(jù)A1N晶格，從而生成AlCuN納米棒。對(duì) AlCuN納米棒的結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明，利用本發(fā)明方法制備的AlCuN納米棒具有六角A1N晶 體結(jié)構(gòu)，不存在磁性雜質(zhì)相。磁學(xué)測(cè)量表明，AlCuN納米棒具有室溫鐵磁性，居里溫度至少 高于室溫。本發(fā)明的原料便宜、制備成本低、工藝更為簡(jiǎn)單，而且無(wú)需使用任何催化劑。本發(fā)明目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的采用鹵化物(A1C13、CUC12等)作為金屬離子的源材料，在氨氣氛下氨化得到摻銅 稀磁半導(dǎo)體納米棒。具體如下一種摻雜銅的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納米棒的制備方法，以硅為襯底，將 CuC12混合后進(jìn)行氨化，得到摻雜銅的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納米棒?！N摻雜銅的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納米棒的制備方法，具體包括以下步驟(1)將 A1C13 與 CuCl2 混合；(2)將裝有混合物的坩堝和硅襯底置于石英管內(nèi)，封閉石英管，將石英管推入爐 中，使坩堝不被加熱，抽真空；
(3)控制爐溫半小時(shí)內(nèi)升至900 950°C，同時(shí)通入氮?dú)?，流量為lOOsccm ；然后將 石英管進(jìn)一步推入爐中，加熱混合物和硅襯底，保持氮?dú)獾牧髁坎蛔儯ㄈ氚睔?0分鐘，流 量為20sCCm ；再減小氨氣流量為5sCCm，通30分鐘，得到摻雜銅的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納米棒。所述六1(13與01(12是按照摩爾比8. 5 1 9. 5 1混合。所述氮?dú)夂桶睔馐菑氖⒐芸拷旌衔锏囊欢送ㄈ搿Ｋ鲔釄迮c硅襯底優(yōu)選相距6 8cm。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)及有益效果。(1)制備A1N納米棒的過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求較低，利用普通管式爐即可進(jìn)行。(2)用這種方法制備得的摻銅氮化鋁納米棒的排列整齊，AlCuN納米棒具有室溫 鐵磁性。(3) AlCuN納米棒的居里溫度高于室溫，可以用于自旋場(chǎng)效應(yīng)三極管(spin-FET) 和自旋發(fā)光二極管(spin-LED)等納米自旋電子器件的制造，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為AlCuN納米棒的X射線衍射譜；圖2為AlCuN納米棒的掃描電鏡圖；圖3為AlCuN納米棒在室溫下的M-H曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1(1)將 A1C13 與 CuCl2 混合；(2)將裝有混合物的坩堝和硅襯底置于石英管內(nèi)，封閉石英管，將石英管推入爐 中，使坩堝不被加熱，抽真空；(3)控制爐溫半小時(shí)內(nèi)升至900 950°C，同時(shí)通入氮?dú)猓髁繛閘OOsccm ；然后將 石英管進(jìn)一步推入爐中，加熱混合物和硅襯底，保持氮?dú)獾牧髁坎蛔儯ㄈ氚睔?0分鐘，流 量為20sCCm ；再減小氨氣流量為5sCCm，通30分鐘，得到摻雜銅的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納米棒。1)將Si片切成1cm寬的條狀，用丙酮、酒精超聲清洗，再用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?)將A1C13粉末與CuCl2粉末按照摩爾比分別以8. 5 1的比例混合后放入一個(gè) 氧化鋁坩堝，置于一兩端開(kāi)口的石英管；石英管直徑為60mm，長(zhǎng)度為1米；3)將準(zhǔn)備好的Si襯底置于石英管；坩堝與硅襯底相距6cm4)將石英管推入水平管式氣氛爐內(nèi)，保持反應(yīng)源端(混合物端)不被加熱；5)封閉石英管，抽真空至0. lPa，再?zèng)_入氮?dú)膺M(jìn)行清洗；6)從混合物一端通入lOOsccm氮?dú)庾鳛檩d氣，設(shè)定升溫程序使得系統(tǒng)在半小時(shí)內(nèi) 升至900°C ；7)將反應(yīng)源一端繼續(xù)向爐膛推進(jìn)，使混合物和Si襯底在氣氛爐中被加熱，溫度保 持在900°C，同時(shí)以20SCCm的流量通入氨氣保持30分鐘；8)減小氨氣流量至5sccm，保持60分鐘；
9)停止加熱，使樣品冷卻到室溫。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用該方法可以制得基本垂直于樣品表面，且分布均勻A1N納米棒。實(shí)施例21)將Si片切成1cm寬的條狀，用丙酮、酒精超聲清洗，再用氮?dú)獯蹈桑玫絊i襯 底；2)將高純A1C13粉末與CuCl2粉末按照摩爾比分別以9. 5 1的比例物理混合；3)將混合好的粉末放入一個(gè)氧化鋁坩堝，置于一兩端開(kāi)口，直徑為60mm，長(zhǎng)度為1 米的石英管內(nèi)；4)將準(zhǔn)備好的Si襯底置于石英管內(nèi)；坩堝與硅襯底相距8cm ；5)將石英管推入水平管式氣氛爐內(nèi)，保持源端不被加熱；6)封閉石英管，抽真空至0. lPa，再?zèng)_入氮?dú)膺M(jìn)行清洗；7)從反應(yīng)源一端通入lOOsccm氮?dú)庾鳛檩d氣，設(shè)定升溫程序使得系統(tǒng)在半小時(shí)內(nèi) 升至950°C ；8)將反應(yīng)源一端繼續(xù)向爐膛推進(jìn)，使混合物和Si襯底在氣氛爐中被加熱，溫度保 持在950°C，同時(shí)以20SCCm的流量通入氨氣保持30分鐘；9)減小氨氣流量至5sccm，保持60分鐘；10)停止加熱，使樣品冷卻到室溫。實(shí)施例2制得的AlCuN納米棒的X射線衍射譜如圖1所示；圖中所有的衍射峰位 都對(duì)應(yīng)于六方晶系A(chǔ)1N。由于Cu進(jìn)入A1N的晶格，使得AlCuN衍射角稍高于A1N(見(jiàn)插圖 顯示的(002)峰位)。AlCuN納米棒的掃描電鏡圖如圖2所示，掃描電子顯微鏡圖片可以 看出樣品表面均勻覆蓋了 AlCuN納米棒。圖3為AlCuN納米棒在室溫下的M-H曲線。M-H 磁滯回線顯示了 AlCuN樣品具有室溫鐵磁性能，其飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力分別是0. 38emu/ cm3andl000eo對(duì)比例11)將Si片切成1cm寬的條狀，用丙酮、酒精超聲清洗，再用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?)將A1C13粉末放入一個(gè)氧化鋁坩堝，置于一兩端開(kāi)口，直徑為60mm，長(zhǎng)度為1米 的石英管內(nèi)；3)將準(zhǔn)備好的Si襯底置于石英管內(nèi)；坩堝與硅襯底相距8cm ；
4)將石英管推入水平管式氣氛爐內(nèi)，保持反應(yīng)源端不被加熱；5)封閉石英管，抽真空至0. lPa，再?zèng)_入氮?dú)膺M(jìn)行清洗；6)從混合物一端通入lOOsccm氮?dú)庾鳛檩d氣，設(shè)定升溫程序使得系統(tǒng)在半小時(shí)內(nèi) 升至950°C ；7)將反應(yīng)源一端繼續(xù)向爐膛推進(jìn)，使坩堝和硅襯底在氣氛爐中被加熱，溫度保持 在950°C，同時(shí)以20SCCm的流量通入氨氣保持30分鐘；8)減小氨氣流量至5sccm，保持60分鐘；9)停止加熱，使樣品冷卻到室溫。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用該方法可以制得基本垂直于樣品表面，且分布均勻A1N納米棒。
權(quán)利要求
一種摻雜銅的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納米棒的制備方法，其特征在于，以硅為襯底，將AlCl3和CuCl2混合后進(jìn)行氨化，得到摻雜銅的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納米棒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟(1)將AlCl3 與 CuCl2 混合；(2)將裝有混合物的坩堝和硅襯底置于石英管內(nèi)，封閉石英管，將石英管推入爐中，使 坩堝不被加熱，抽真空；(3)控制爐溫半小時(shí)內(nèi)升至900 950°C，同時(shí)通入氮?dú)?，流量為lOOsccm；然后將石英 管進(jìn)一步推入爐中，加熱混合物和硅襯底，保持氮?dú)獾牧髁坎蛔?，通入氨?0分鐘，流量為 20sccm ；再減小氨氣流量為5sCCm，通30分鐘，得到摻雜銅的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納米棒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述AlCl3與CuCl2是按照摩爾 比8. 5 1 9. 5 1混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述氮?dú)夂桶睔馐菑氖⒐芸拷?合物的一端通入。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述坩堝與硅襯底相距6 8cm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種摻雜銅的氮化鋁基稀磁半導(dǎo)體納米棒及其制法。本發(fā)明方法是將氯化鋁和氯化銅按照一定比例的摩爾比混合均勻，然后在氨氣氛下氨化直接形成摻Cu的氮化鋁。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求較低，所制備的AlN:Cu具有較強(qiáng)的鐵磁性，且居里溫度高于室溫，可以應(yīng)用于自旋場(chǎng)效應(yīng)管(spin-FET)，自旋發(fā)光二極管(spin-LED)等納米自旋電子器件，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01F1/40GK101887793SQ20101021483
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者凌志遠(yuǎn), 季小紅 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)