[發明專利]一種制備Cu-Cu2O核殼鐵磁性納米顆粒的方法

有效

• 申請號: 201310296659.1
• 申請日: 2013-07-16
• 公開（公告）號: CN103341624A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 王維華;解新建;程雅慧;李好博;劉暉
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: B22F1/02
• 分類號: B22F1/02;C23C14/35;C23C14/08
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技術領域

本發明涉及一種制備Cu-Cu₂O核殼鐵磁性納米顆粒的方法，主要是通過磁控濺射技術控制Cu顆粒和Cu₂O殼層來形成Cu-Cu₂O核殼結構，從而調節其磁化強度的方法。

背景技術

Cu在自然界有兩種常見的氧化物，赤銅礦Cu₂O和黑銅礦的CuO。Cu₂O是銅的低化合價氧化物，具有正八面立方晶體結構，是一種重要的p型氧化物稀磁半導體母體材料。氧化物稀磁半導體是近年來迅速發展起來的研究領域，它同時利用載流子的電荷和自旋特性，所以在自旋電子學器件中具有廣闊的應用前景，可用于自旋量子阱發光二極管、自旋p-n結二極管、磁隧道效應晶體管、自旋場效應晶體管、量子計算機等新型自旋電子器件。與傳統器件相比，這類自旋電子學器件具有非揮發性、穩定性好、集成度高、耗電量低、處理速度快等優點，在信息通訊、國防軍事、航空航天等領域均具有十分重要的應用價值。

在常見的氧化物稀磁半導體母體材料中(如ZnO，TiO₂等)，p型的材料是很難獲得的，而Cu₂O為天然的p型半導體，故可以直接與n型材料形成p-n結，這就決定了Cu₂O在氧化物稀磁半導體材料中具有十分重要的地位和應用價值；此外Cu₂O還有良好的光電性能，其禁帶寬度在2.0-2.5eV，可用于制造Cu₂O基的肖特基太陽能電池及異質結太陽能電池，如發明201110150153.0(一種氧化鋅/氧化亞銅薄膜太陽能電池的制備方法)所描述的。

對氧化物稀磁半導體材料的研究，最主要的目標之一是提高其室溫鐵磁性。研究發現，通過在Cu₂O母體中摻雜金屬元素，可以產生鐵磁性，當前國內外已經對Cu₂O進行了Mn，Fe，Ni，Co，V和Al等金屬摻雜的研究。然而摻雜的方法對制備工藝要求較高，摻雜量控制較困難，不利于大規模的工業生產。如果能使Cu₂O在不摻雜的情況下產生鐵磁性，則對制備自旋電子器件具有十分重要的意義。

另一方面，在Cu₂O材料的制備方面，目前主要采用化學方法或磁控濺射等技術進行制備。如文獻：[林龍，人工晶體學報，39，1221]，[Pierson，Applied?Surface?Science，210，359(2003)]，[Hailing?Zhu，Thin?Solid?Films，517，5700(2009)]等均采用磁控濺射法制備出了純的Cu₂O材料；文獻[KINOSHITA，Japanese?Journal?of?Applied?Physics，6，656(1967)]對水熱法制備純Cu₂O進行了研究。此外，也有少量制備Cu-Cu₂O核殼結構的報道，如文獻[Ruey-Chi?Wang，Acta?Materialia59，822(2011)]采用電子束蒸發的方法制備出了Cu-Cu₂O核殼結構，而在這些方法中制備的Cu-Cu₂O中沒有發現鐵磁性。

本發明則提供了一種新的制備Cu-Cu₂O的核殼結構鐵磁性的納米顆粒的方法，該方法是直接利用磁控濺射技術制備出具有鐵磁性的Cu-Cu₂O納米顆粒，不需要摻雜任何其它金屬元素。其中Cu顆粒作為核出現，它的周圍被Cu₂O所包裹形成殼體。這種方法制備出的Cu-Cu₂O核殼結構納米顆粒與現有的核殼結構Cu-Cu₂O納米顆粒相比具有更多的界面面積和缺陷濃度，并且容易通過調節制備工藝來調節缺陷濃度，從而達到增強鐵磁性的效果。此外，這一方法與前面通過摻雜來實現Cu₂O鐵磁性的方法比較起來，更加簡單，成本也相對降低，且工藝參數控制容易，有利于工業化生產。

發明內容

本發明提供的制備Cu-Cu₂O核殼結構鐵磁性納米顆粒的方法，其特征在于采用磁控濺射的方法制備一種具有特殊結構的納米顆粒，其中Cu顆粒作為核，它的周圍被Cu₂O所包裹形成殼體，該結構的納米顆粒具有鐵磁性。制備的具體步驟如下：