本發(fā)明涉及一種室溫鐵磁半導(dǎo)體材料MnSiP₂及其制備方法和應(yīng)用，屬于磁性半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域

背景技術(shù)：

磁性半導(dǎo)體材料具有磁性和半導(dǎo)體性質(zhì)，可以通過操作半導(dǎo)體中的電子電荷和電子自旋兩個自由度進(jìn)行信息的加工處理與存儲，實現(xiàn)電子學(xué)、光子學(xué)和磁學(xué)的有機融合，可用于開發(fā)新一代的電子器件，如自旋場效應(yīng)管和自旋發(fā)光二極管等，在光電子領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景，從而滿足信息技術(shù)的超高速、超帶寬和超大容量的發(fā)展趨勢。目前通過磁性元素?fù)诫s或離子注入等手段可以獲得磁性半導(dǎo)體材料，但是絕大多數(shù)磁性材料的居里溫度(TC)遠(yuǎn)低于室溫，如GaMnAs和ZnMnSe磁性材料的居里溫度分別為～110和50K，無法滿足實際應(yīng)用的要求。因此，探索具有更高居里溫度的新型磁性半導(dǎo)體材料具有非常重要的意義。

A^IIB^IVC₂^V型黃銅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體化合物，如ZnGeP₂、CdSiP₂等，是優(yōu)秀的紅外非線性光晶體材料，具有非常重要的應(yīng)用價值。理論研究表明基于寬禁帶的半磁半導(dǎo)體，可能具有高于室溫的居里溫度，根據(jù)A^IIB^IVC₂^V型化合物性質(zhì)的一般規(guī)律，含Si,P的化合物要比含Ge,Sn,As的同構(gòu)物有更大的帶隙。但是，目前尚未出現(xiàn)黃銅礦結(jié)構(gòu)的鐵磁半導(dǎo)體材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有磁性半導(dǎo)體材料存在的居里溫度較低、限制室溫環(huán)境實際應(yīng)用的問題，提供一種新型的黃銅礦結(jié)構(gòu)的室溫鐵磁半導(dǎo)體材料MnSiP₂，以及該材料制備方法和應(yīng)用。

本發(fā)明的室溫鐵磁半導(dǎo)體材料MnSiP₂，屬于四方晶系，I-42d空間群，晶胞參數(shù)為：a＝5.5823(3),Z＝4。

上述室溫鐵磁半導(dǎo)體材料MnSiP₂的制備方法，包括以下步驟：

(1)按摩爾比Mn:Si:P＝1:1:2.0-2.5的比例分別稱取Mn、Si和P三種單質(zhì)原料，將原料一起研磨均勻，裝入石英管內(nèi)，抽真空3X10^-4Pa-5X10^-4Pa后，封燒石英管。

(2)將石英管采用階段性升溫，先以30℃/小時-50℃/小時的升溫速率升至450℃-500℃，恒溫15小時-20小時，繼續(xù)升溫至反應(yīng)溫度950-1100℃，恒溫反應(yīng)20小時-30小時，最后以50小時-100小時緩慢降溫至室溫。

(3)打開石英管，取出結(jié)晶較好的料塊，用去離子水清洗干凈，放置于烘箱中干燥處理，得到室溫鐵磁半導(dǎo)體材料MnSiP₂。

上述室溫鐵磁半導(dǎo)體材料MnSiP₂應(yīng)用于制作自旋場效應(yīng)晶體管、自旋發(fā)光二極管、自旋共振磁隧道結(jié)、光隔離器、磁傳感器或非揮發(fā)存儲器。

本發(fā)明在Mn-Si-P體系中探索合成了新型黃銅礦化合物MnSiP₂，存在鐵磁-順磁相變，低溫時其為鐵磁相，高溫時為順磁相，其居里溫度高達(dá)290K，是一種近室溫磁性半導(dǎo)體材料，可以應(yīng)用于制作自旋場效應(yīng)晶體管、自旋發(fā)光二極管、自旋共振磁隧道結(jié)、光隔離器、磁傳感器和非揮發(fā)存儲器等，在通信、信息存儲等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，在光電子學(xué)和磁學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明制備的MnSiP₂粉末的X射線衍射圖譜。

圖2是MnSiP₂變溫磁化率曲線圖。

具體實施方式

實施例1

按摩爾比Mn:Si:P＝1:1:2.0分別稱取Mn、Si和P三種單質(zhì)原料，原料在瑪瑙研缽內(nèi)研磨均勻，裝入石英管內(nèi)，抽真空3×10^-4Pa后，封燒石英管。將石英管放入高溫管式爐中，采用階段性升溫，先以30℃/小時的升溫速率升至450℃，恒溫15小時，繼續(xù)升溫至反應(yīng)溫度950℃，恒溫反應(yīng)20小時，然后經(jīng)過50小時緩慢降溫至室溫。打開石英管，取出結(jié)晶較好的料塊，用去離子水清洗干凈，放置于烘箱中干燥處理，得到純相MnSiP₂磁性半導(dǎo)體材料。

本實施例中經(jīng)過高溫合成得到的MnSiP₂的粉末X射線衍射圖譜和變溫磁化率曲線分別如圖1和圖2所示。

實施例2

按摩爾比Mn:Si:P＝1:1:2.3分別稱取Mn、Si和P三種單質(zhì)原料，原料在瑪瑙研缽內(nèi)研磨均勻，裝入石英管內(nèi)，抽真空4×10^-4Pa后，封燒石英管。將石英管放入高溫管式爐中，采用階段性升溫，先以40℃/小時的升溫速率升至500℃，恒溫20小時，繼續(xù)升溫至反應(yīng)溫度1000℃，恒溫反應(yīng)25小時，然后經(jīng)過80小時緩慢降溫至室溫。打開石英管，取出結(jié)晶較好的料塊，用去離子水清洗干凈，放置于烘箱中干燥處理，得到純相MnSiP₂磁性半導(dǎo)體材料。

實施例3

按摩爾比Mn:Si:P＝1:1:2.5分別稱取Mn、Si和P三種單質(zhì)原料，原料在瑪瑙研缽內(nèi)研磨均勻，裝入石英管內(nèi)，抽真空5×10^-4Pa后，封燒石英管。將石英管放入高溫管式爐中，采用階段性升溫，先以50℃/小時的升溫速率升至480℃，恒溫18小時，繼續(xù)升溫至反應(yīng)溫度1050℃，恒溫反應(yīng)30小時，然后經(jīng)過100小時緩慢降溫至室溫。打開石英管，取出結(jié)晶較好的料塊，用去離子水清洗干凈，放置于烘箱中干燥處理，得到純相MnSiP₂磁性半導(dǎo)體材料。

實施例4

按摩爾比Mn:Si:P＝1:1:2.5分別稱取Mn、Si和P三種單質(zhì)原料，原料在瑪瑙研缽內(nèi)研磨均勻，裝入石英管內(nèi)，抽真空5×10^-4Pa后，封燒石英管。將石英管放入高溫管式爐中，采用階段性升溫，先以50℃/小時的升溫速率升至480℃，恒溫18小時，繼續(xù)升溫至反應(yīng)溫度1100℃，恒溫反應(yīng)30小時，然后經(jīng)過100小時緩慢降溫至室溫。打開石英管，取出結(jié)晶較好的料塊，用去離子水清洗干凈，放置于烘箱中干燥處理，得到純相MnSiP₂磁性半導(dǎo)體材料。

上述各實施例制備的黃銅礦結(jié)構(gòu)MnSiP₂磁性半導(dǎo)體化合物，居里溫度290K接近于室溫，可應(yīng)用于制作新一代的電子器件，如自旋場效應(yīng)管、自旋發(fā)光二極管、磁傳感器和非揮發(fā)存儲器等。