專利名稱：一種錳摻雜氮化鎵室溫鐵磁納米材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種應用于稀磁半導體(DMS)的錳摻雜氮化鎵納米材料及其制備方法，屬于 稀磁半導體技術領域。
背景技術：
氮化鎵是一種性能優越的直接帶隙半導體材料，帶隙為3.32電子伏，是世界公認的第三 代半導體材料。目前己經被廣泛應用于藍光光電子器件、高頻、高功率電子器件等多個重要 領域。近年來隨著稀磁半導體在理論研究(如自旋計劃的輸運、自旋相關的共振隧穿)和實 際應用(如磁光和磁電器件、自旋量子計算機)方面的潛在價值，越來越受到世界各國研究 人員的密切關注。氮化鎵基稀磁半導體，特別是錳摻雜的氮化鎵材料更以超過室溫的居里轉 變溫度和可以在高溫、高功率光電器件領域得到廣泛應用而成為最有前景的稀磁半導體材料。
通常用來制備錳摻雜氮化鎵材料的方法主要有直接氮化法、化學氣相沉積法、金屬有 機化學氣相沉積法、磁控濺射法以及原子束外延等制備方法。這些合成方法大多需要價格高 昂的設備以及復雜的制作工藝，而且合成的材料通常存在氧缺陷含量較高、錳元素的摻入量 相對較低、材料的結構及質量較差等缺點。
發明內容
本發明針對目前合成的錳摻雜氮化鎵材料中存在的氧缺陷的含量高、錳元素的摻入量少 等問題，提供一種氧缺陷的含量低、錳元素的摻入量多的錳摻雜氮化鎵室溫鐵磁納米材料； 同時提供一種該材料的制備方法，該方法成本低廉、便于大規模生產、簡單有效，能夠合成 高質量的錳摻雜氮化鎵室溫鐵磁納米材料。
本發明的錳摻雜氮化鎵室溫鐵磁納米材料的化學式為Mn/GaN，錳的摻入量為0. 19%-3%。
上述錳摻雜氮化鎵室溫鐵磁納米材料的制備方法包括以下步驟-
(1) 原料混合按質量比20: 1: 0. 24—12. 8的比例將氧化鎵、二氧化錳和活性炭粉的 粉末(錳與鎵的原子數比為1:20，碳與鎵的原子比為1:10~5:1)在研缽中研磨10分鐘充分 混合；
(2) 材料制備將混合均勻的粉末放入石英坩堝，然后轉移到管式爐中，管式爐中通入 流量為300ml/min的氨氣，以25'C/min的升溫速率升到850'C保持3個小時，然后在氨氣氣 氛下自然降溫至200'C，停止通入氨氣，自然降至室溫，即得錳的摻入量在0. 19%-3%的錳摻 雜氮化鎵納米材料。
本發明在制備過程中加入活性炭，充分利用活性炭的強還原特性，有效抑制了合成過程 中氧缺陷的含量，大大提高了錳元素的摻入量，并提高了材料的晶體質量，克服了用氧化鎵 直接在氨氣氣氛下氮化合成氮化鎵過程中存在的大量氧缺陷以及錳元素難以摻入的缺點。另 外，由于活性炭的加入改變了材料生長的過程，得到了一維納米結構的錳摻雜氮化鎵材料， 該材料具有室溫下鐵磁性強的特點，有利于用于制作磁性相關的器件。
具體實施方式
實施例1
(1)原料混合按20: 1: 0. 24的比例將1克氧化鎵、0. 05克二氧化錳和0. 012克活
性炭的粉末在研缽中研磨10分鐘充分混合(其中Mn:Ga的原子比為1:20, C:Ga的原子比為 1:10)。
(2)材料制備將混合均勻的粉末放入石英坩堝，然后轉移到管式爐中，通入流量為 300ml/min的氨氣，以25度/min的升溫速率升到850度保持3個小時，然后在氨氣氣氛下自 然降溫至200度，關閉氨氣自然降至室溫，即得錳的摻入量為0. 19%的錳摻雜氮化鎵納米材 料。
實施例2
(1) 原料混合按20: 1: 0. 52的比例將1克氧化鎵、0. 05克二氧化錳和0. 026克活性 炭的粉末在研缽中研磨10分鐘充分混合(其中Mn:Ga的原子比為l:20，C:Ga的原子比為l:5)。
(2) 材料制備將混合均勻的粉末放入石英坩堝，然后轉移到管式爐中，通入流量為 300ml/min的氨氣，以25度/min的升溫速率升到850度保持3個小時，然后在氨氣氣氛下自 然降溫至200度，關閉氨氣自然降至室溫。即得錳的摻入量為0. 2%的錳摻雜氮化鎵納米材料。
實施例3
(1) 原料混合按20: 1: 1. 28的比例將1克氧化鎵、0. 05克二氧化錳和0. 064克活性 炭的粉末在研缽中研磨10分鐘充分混合(其中Mn:Ga的原子比為l:20，C:Ga的原子比為l:2)。
(2) 材料制備將混合均勻的粉末放入石英坩堝，然后轉移到管式爐中，通入流量為 300ml/min的氨氣，以25度/min的升溫速率升到850度保持3個小時，然后在氨氣氣氛下自 然降溫至200度，關閉氨氣自然降至室溫。即得錳的摻入量為0. 62%的錳摻雜氮化鎵納米材 料。
實施例4
(1) 原料混合按20: 1: 2. 6的比例將1克氧化鎵、0. 05克二氧化錳和0. 13克活性 炭的粉末在研缽中研磨10分鐘充分混合(其中Mn:Ga的原子比為l:20，C:Ga的原子比為l:l)。
(2) 材料制備將混合均勻的粉末放入石英坩堝，然后轉移到管式爐中，通入流量為 300ml/min的氨氣，以25度/min的升溫速率升到850度保持3個小時，然后在氨氣氣氛下自 然降溫至200度，關閉氨氣自然降至室溫，即得錳的摻入量為1.17%的錳摻雜氮化鎵納米材 料。
實施例5
(1) 原料混合按20: 1: 5. 2的比例將1克氧化鎵、0. 05克二氧化錳和0. 26克活性 炭的粉末在研缽中研磨10分鐘充分混合(其中Mn:Ga的原子比為1:20， C: Ga的原子比為 2:1)。
(2) 材料制備將混合均勻的粉末放入石英坩堝，然后轉移到管式爐中，通入流量為 300ml/min的氨氣，以25度/min的升溫速率升到850度保持3個小時，然后在氨氣氣氛下自 然降溫至200度，關閉氨氣自然降至室溫，即得錳的摻入量為1.8%的錳摻雜氮化鎵納米材料。
實施例6
(1) 原料混合按20: 1: 12. 8的比例將1克氧化鎵、0. 05克二氧化錳和0. 64克活性 炭的粉末在研缽中研磨10分鐘充分混合(其中Mn: Ga的原子比為l:20， C: Ga的原子比為 5:1)。
(2) 材料制備將混合均勻的粉末放入石英坩堝，然后轉移到管式爐中，通入流量為300ml/min的氨氣，以25度/min的升溫速率升到850度保持3個小時，然后在氨氣氣氛下自 然降溫至200度，關閉氨氣自然降至室溫，即得錳的摻入量為3%的錳摻雜氮化鎵納米材料。
權利要求
1. 一種錳摻雜氮化鎵室溫鐵磁納米材料，其特征是該材料的化學式為Mn/GaN，錳的摻入量為0.19％-3％。
2. —種權利要求1所述錳摻雜氮化鎵室溫鐵磁納米材料的制備方法，特征在于，包括以下步驟(1) 原料混合按質量比20: 1: 0. 24—12. 8的比例將氧化鎵、二氧化錳和活性炭粉的 粉末在研缽中研磨10分鐘充分混合；(2) 材料制備將混合均勻的粉末放入石英坩堝，然后轉移到管式爐中，管式爐中通入流量為300ml/min的氨氣，以25'C/min的升溫速率升到850'C保持3個小時，然后在氨氣氣 氛下自然降溫至200'C，停止通入氨氣，自然降至室溫，即得錳的摻入量在0.19%-3%的錳摻 雜氮化鎵納米材料。
全文摘要
本發明提供了一種錳摻雜氮化鎵室溫鐵磁納米材料及其制備方法，該材料的化學式為Mn/GaN，錳的摻入量為0.19％-3％。該材料的制備方法包括以下步驟(1)按質量比20∶1∶0.24-12.8的比例將氧化鎵、二氧化錳和活性炭粉的粉末在研缽中研磨10分鐘充分混合；(2)將混合均勻的粉末放入石英坩堝，然后轉移到管式爐中，通入流量為300ml/min的氨氣，以25℃/min的升溫速率升到850℃保持3個小時，然后在氨氣氣氛下自然降溫至200℃，關閉氨氣，自然降至室溫，即得錳摻雜氮化鎵納米材料。本發明充分利用活性炭的強還原特性，有效抑制了合成過程中氧缺陷的含量，提高了錳元素的摻入量，得到了一維納米結構的錳摻雜氮化鎵材料，具有氧缺陷含量低、錳元素含量高、室溫下鐵磁性強的特點。
文檔編號C01B21/00GK101391758SQ20081015807
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月29日 優先權日2008年10月29日
發明者張曉陽, 王澤巖, 秦曉燕, 黃柏標 申請人:山東大學