[發明專利]具有室溫鐵磁效應的Cr摻雜TiO2納米磁性薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201310494834.8
• 申請日: 2013-10-21
• 公開（公告）號: CN103526263A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 廖宇龍;張懷武;白飛明;鐘智勇;賈利軍;李頡;周廷川
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: C25D11/26
• 分類號: C25D11/26
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務所(普通合伙) 51227
• 代理人: 李順德;王睿

技術領域

本發明屬于功能材料技術領域，涉及磁性薄膜材料及其制備技術，具體涉及一種具有室溫鐵磁效應TiO₂納米磁性薄膜的方法。

技術背景

稀磁半導體（diluted?magnetic?semiconductors，簡寫為DMSs），由于同時具有半導體特性和鐵磁性，在自旋電子學、磁學和微電子學等領域具有十分廣闊的應用前景。它通常是指由磁性離子部分地取代半導體中的陽離子后所形成的一類新型半導體材料。相對對于普通的磁性半導體而言，稀磁半導體所含的磁性離子比較少，并且磁性離子的分布是無序的，它具有鐵磁材料和半導體的綜合性質。而制備具有本征鐵磁性的室溫稀磁半導體是實現自旋電子器件的關鍵所在。

自2001年《Science》雜志上報道了居里點在室溫以上（300K）Co摻雜的TiO₂常溫鐵磁性以來，使得具有常溫鐵磁性的氧化物稀磁性半導體在自旋電子學應用方面具有了可能，引起了磁學技術領域界的極大關注。關于氧化物稀磁半導體的研究，不論是理論上還是實驗上都正有序的開展起來。對氧化物稀磁半導體的研究也從最初的TiO₂，擴展到In₂O₃、CeO₂、SnO₂、ZnO等一系列氧化物，通過摻雜過渡金屬離子或稀土金屬離子，得到了各種各樣的室溫鐵磁特性。其中，由于TiO₂具有優異物理化學穩定性，以TiO₂摻雜過渡金屬離子得到室溫鐵磁性能仍然是最主要研究方向之一。目前制備TiO₂稀磁薄膜材料的主要方法包括：濺射沉積法、離子注入法、激光脈沖沉積、溶膠凝膠法、化學氣相沉積等。

然而，實踐中發現，部分采用以上技術制備的TiO₂稀磁薄膜材料中存在磁性離子的偏析，并形成了具有磁性的團聚物或者第二相（如單質Co和CoTiO₃等），引起了室溫鐵磁性的內稟屬性的極大爭議。而采用沒有磁性的過渡金屬離子，例如Cr元素，通過一種合理方式摻入TiO₂之中，可以有效的避免磁性原子的偏析和團聚對其室溫鐵磁性造成的干擾。因此制備不含磁性過渡金屬離子摻雜的TiO₂稀磁薄膜材料，不但對于自旋電子器件的實現有重要的現實意義，對幫助和理解TiO₂稀磁材料的磁性起源也有很大作用。

發明內容

本發明提供一種具有室溫鐵磁效應的Cr摻雜TiO₂納米磁性薄膜的制備方法，該方法以TiO₂納米管薄膜為前驅物，通過CrNO₃水溶液浸泡方式摻入Cr元素，然后經高溫退火處理得到非磁性元素摻雜且具有室溫鐵磁性能的TiO₂納米磁性薄膜。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

具有室溫鐵磁效應的Cr摻雜TiO₂納米磁性薄膜的制備方法，如圖1所示，包括如下步驟：

步驟1：制備TiO₂納米管薄膜。所述TiO₂納米管薄膜采用電化學陽極氧化工藝但不限于陽極氧化工藝制備。

步驟2：采用CrNO₃水溶液對步驟1制備的TiO₂納米管薄膜進行浸泡處理，浸泡處理后的TiO₂納米管薄膜經去離子水沖洗后自然晾干，得到Cr摻雜TiO₂納米管薄膜。

步驟3：將步驟2所得Cr摻雜TiO₂納米管薄膜進行高溫退火處理后得到具有室溫鐵磁性的Cr摻雜TiO₂納米磁性薄膜。其中退火溫度為450～600℃，退火時間為1～4小時，退火氣氛為空氣、氮氣、氧氣或氬氣。

進一步地，步驟1采用電化學陽極氧化工藝制備TiO₂納米管薄膜包括如下步驟：

步驟1-1：以氟化銨為溶質，體積比為294:6的乙二醇和去離子水混合溶液為溶劑，配制氟化銨質量百分比濃度為2.4×10^-3-3.6×10^-3%的有機含氟電解液；

步驟1-2：將金屬鈦片依次采用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗后，自然晾干待用；