一种铁磁半导体材料Li(Cd,Mn)P及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于I-II-V族半导体材料的铁磁半导体材料，尤其涉及一种化 学结构通式为Li(Cd,Mn)P的铁磁半导体材料。
【背景技术】
[0002] 铁磁性稀磁半导体是通过向半导体中掺杂磁性离子实现的。由于自旋电子器件 方面的应用前景，早在20世纪90年代铁磁性稀磁半导体体系就被广泛研究（Zutic，I.et al.，Rev.Mod.Phys. 76, 323, 2004)。迄今研究最广泛的是基于III-V族的稀磁半导体，即以 III族元素V族元素化合物为母相的半导体（Ohno,H.，Science281，951，1998)。然而III-V 族稀磁半导体也存在制作工艺，载流子与磁矩绑定等问题。
[0003] 最近报道的基于I-II-V族半导体材料的铁磁性稀磁半导体Li(Zn，Mn) As较成功的解决了载流子与磁矩绑定的问题（Deng,Z.etal.，Nature Communications2:422, 2011)，其中的载流子与磁矩分别由Li离子与Mn离子提供，这为铁 磁半导体机制的研究提供了便利。
[0004] 可以付诸实用的半导体材料需要载流子类型和浓度是可控的，这样就可以通过掺 杂得到预期的材料。其中最为重要的应用之一就是将电子型掺杂半导体与空穴性掺杂半导 体组合形成晶体管的基本单元PN结。然而，Li(Zn,Mn)As的载流子浓度约为1019-102°cm3， 其导电行为均表现为很强的金属性。这意味着将很难改变它的载流子类型，也就无法得到 PN结。
[0005] 另外，Li(Zn,Mn)As中含有毒性元素As，在材料的使用和制造过程中容易造成人 员的身体损伤。
【发明内容】
[0006] 因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于I-II-V族半导 体材料的铁磁性稀磁半导体，其半导体性更强，载流子类型与浓度更容易被调节，且不含有 毒性元素As。
[0007] 本发明提供一种铁磁半导体材料，其化学式为Liy(Cd1xMnx)P，其中 0? 6〈y〈l. 4, 0〈x〈0. 4。
[0008] 根据本发明提供的铁磁半导体材料，其中所述铁磁半导体材料的晶体结构属立方 晶系。
[0009] 本发明还提供一种制备上述铁磁半导体材料的方法，利用固相反应法，在与氧隔 离的环境中烧结前躯体，形成LiJCdixMnx)P，其中0. 6〈y〈l. 4, 0〈x〈0. 4,其中所述前躯体的 物质选自如下物质构成的组：1^、0(1^11、？、1^3?、0(^^1^，其中各种物质的含量满足所要制 备的铁磁半导体材料Li^CdixMnx)P中各种元素的配比，其中烧结温度为550-950°C。
[0010] 根据本发明提供的方法，其中所述烧结过程在常压下进行，烧结温度为 600-900。。。
[0011] 根据本发明提供的方法，其中所述烧结过程在高于一个大气压的压力下进行，烧 结温度为550-950°C。
[0012] 根据本发明提供的方法，其中所述压力为l-20GPa。
[0013] 根据本发明提供的方法，其中所述前躯体包括Li、CcUMn、P。
[0014] 根据本发明提供的方法，其中所述前躯体包括Li3P、CcUMn、P、CdP、MnP。
[0015] 根据本发明提供的方法，其中所述烧结过程在惰性气体中进行。
[0016] 根据本发明提供的方法，其中所述烧结过程在真空环境中进行。
[0017] 本发明提供的铁磁半导体Li(Cd,Mn)P中不再含有毒性元素As，而且由于P元素的 电负性较As元素更高，且Cd元素的正电性比Zn元素强，使得Li(Cd,Mn)P具有良好的半导 体性，载流子浓度更容易调节，可以很好地用于自旋电子器件等各种器件中。
【附图说明】
[0018] 以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
[0019] 图1是本发明提供的铁磁半导体的晶体结构示意图；
[0020] 图2是实施例1中Lia6Cda9MnaiP的电阻率随温度变化的曲线图；
[0021] 图3是实施例1中Lia6Cda9MnaiP的X射线衍射图谱；
[0022] 图4是实施例1中Lia6Cda9MnaiP的直流磁化率随温度变化的曲线图；
[0023] 图5是实施例2中LiuCda6Mna4P的电阻率随温度变化的曲线图；
[0024] 图6是实施例2中Lih4Cda6Mna4P的X射线衍射图谱；
[0025] 图7是实施例2中LiuCda6Mna4P的直流磁化率随温度变化的曲线图；
[0026] 图8是实施例3中LiuCda95Mnl^5P的电阻率随温度变化的曲线图；
[0027]图9是实施例3中LiuCda95Mna05P的X射线衍射图谱；
[0028] 图10是实施例3中LiuCda95Mnl^5P的直流磁化率随温度变化曲线图；
[0029] 图11是实施例4中LiuCda9MnaiP的电阻率随温度变化的曲线图；
[0030] 图12是实施例4中LiuCda9MnaiP的X射线衍射图谱；
[0031] 图13是实施例4中LiuCda9MnaiP的直流磁化率随温度变化的曲线图；
[0032] 图14是实施例5中Lia6CdasMna2P的电阻率随温度变化的曲线图；
[0033] 图15是实施例5中Lia6CdasMna2P的X射线衍射图谱；
[0034] 图16是实施例5中Lia6CdasMna2P的直流磁化率随温度变化的曲线图；
[0035] 图17是实施例6中LiuCda6Mna4P的电阻率随温度变化的曲线图；
[0036] 图18是实施例6中Lih4Cda6Mna4P的X射线衍射图谱；
[0037] 图19是实施例6中LiuCda6Mna4P的直流磁化率随温度变化的曲线图；
[0038] 图20是实施例7中Liu5Cda7Mnll3P的电阻率随温度变化的曲线图；
[0039]图21是实施例7中Liu5Cda7Mna3P的X射线衍射图谱；
[0040] 图22是实施例7中Liu5Cda7M%3P的直流磁化率随温度变化的曲线图。
【具体实施方式】
[0041] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本 发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0042] 本发明提供了一种基于I-II-V族半导体材料的铁磁半导体材料，其化学结构通 式为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的晶体结构如图1所示，具有F-43m的空间对称群，属立方晶系，晶格常数范围为： a=5.8-6.2A。
[0043] 实施例1
[0044] 本实施例提供一种铁磁半导体材料的制备方法，包括：
[0045] 1)在充有惰性气体的手套箱中将高纯Li块、Cd粉、Mn粉、P粉按照预定比例 (Lia6Cda^nlllP，质量分别为Li块0? 21克，Cd粉5. 06克，Mn粉0? 27克，P粉1. 55克）均 匀混合，并将混合物装入氧化铝陶瓷试管中；
[0046] 2)将装有样品的陶瓷试管真空封装于石英管内；
[0047] 3)将石英管放在高温炉内600°C的温度下烧结20小时，烧结完成后得到 Li〇. ^Cd0.9Mn〇.iP〇
[0048] 本实施例的方法得到的样品的电阻率随温度变化行为如图2所示，表现出很好的 半导体性。样品的X射线衍射图谱如图3所示，所有的衍射峰都可以找到对应的衍射指数， 说明本实施例提供的方法制备出了高纯度、结晶性良好的铁磁半导体材料Lia6Cda9MnaiP。 样品的直流磁化率与温度的关系曲线如图4,铁磁转变温度为12K。
[0049] 实施例2
[0050] 本实施例提供一种铁磁半导体材料的制备方法，包括：
[0051] 1)在充有惰性气体的手套箱中将高纯Li块、Cd粉、Mn粉、P粉按照预定比例 (LiuCcUMn^P，质量分别为Li块0? 49克，Cd粉3. 37克，Mn粉I. 10克，P粉1. 55克）均 匀混合，并将混合物装入氧化铝陶瓷试管中；
[0052] 2)将装有样品的陶瓷试管真空封装于石英管内，并向石英管内充入一定量的惰性 气体；
[0053] 3)将石英管放在高温炉内900°C的温度下烧结5小时，烧结完成后得到 LiL4Cd〇. 6Mn〇.4P〇
[0054] 本实施例的方法得到的样品的电阻率随温度变化行为如图5所示，表现出很好的 半导体性。样品的X射线衍射图谱如图6所示，所有的衍射峰都可以找到对应的衍射指数， 说明本实施例提供的方法制备的铁磁半导体材料纯度高、结晶性良好。样品的直流磁化率 与温度的关系曲线如图7所示，铁磁转变温度为25K。
[0055] 实施例3
[0056] 本实施例提供一种铁磁半导体材料的制备方法，包括：
[0057] 1)在充有惰性气体的手套箱中将高纯Li3P、P、CcUMn、CdP、MnP按照预定比例 〇^1.不(1。.95111。.。 5?，质量分别为1^孑1.24克，？0.20克，〇(13.37克，111〇.20克，〇(^3.87克，111 PO. 21克）均匀混合，将混合物装入铌管，并在惰性气体的保护下将铌管密封；
[0058] 2)将铌管真空封装于石英管内；
[0059] 3)将石英管放在高温炉内750 °C的温度下烧结15小时，烧结完成后得到 Li1.2Cd0.95Mn0.05P。
[0060] 本实施例的方法得到的样品的电阻率随温度变化行为如图8所示，表现出很好的 半导体性。样品的X射线衍射图谱如图9所示，所有的衍射峰都可以找到对应的衍射指数， 说明本实施例提供的方法制备的铁磁半导体材料纯度高、结晶性良好。样品的直流磁化率 与温度的关系曲线如图10所示，铁磁转变温度为28K.
[0061] 实施例4
[0062] 本实施例提供一种铁磁半