本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种具有室温铁磁性的稀磁半导体材料及其制备方法和用途。
背景技术：
随着半导体行业的发展，单个芯片的集成度越来越来高，目前器件尺寸已达到10nm，然而不可否认的是摩尔定律正面临重大挑战。伴随着器件尺寸的缩小，传统的半导体制造工艺已趋于物理极限，更不能适应现代信息技术超高速、超高频、超大容量的发展趋势，寻找和研发新的材料与器件已经刻不容缓。
自旋—电子的第二个重要属性引起了人们广泛关注，通过调控电子的自旋，研究新型自旋电子器件来实现存储、通讯与计算，自旋电子学孕育而生。1992年，ohno等人成功制备了较高居里转变温度的gamnas(tc＝110k)，掀起了一股稀磁半导体(dms)的研究热潮。
稀磁半导体(dms)是指用微量的磁性过度金属替代半导体中的非磁性原子，得到磁性较弱但同时具有半导体和磁性两种性质的磁性半导体。dms使得同时控制电子电荷和电子自旋成为可能，为新的半导体技术领域的开辟提供了条件，虽然目前处于试验探索阶段，但其应用前景广阔，如自旋极化发光二极管、磁控和光控的超晶格器件、超高密度的非易失性存储器、半导体激光集成电路以及量子计算机等等。
理想的稀磁半导体应具有高的居里转变温度来保证热稳定性、好的载流子迁移率以得到高速性能、稳定而又规律的磁性能。室温下具有磁性为磁性半导体的应用提供了可能，近来hori等人报道掺入5％mn的gan有高于室温的tc，而后又有报道掺入co的zno在350k时仍然能观察到磁滞回线。研发高居里转变温度(tc)的磁性半导体材料已成为半导体界的新热点。因此，研发一种在室温下具有铁磁性、且具有良好的导电性能的材料具有非常大的价值。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明提供具有室温铁磁性的稀磁半导体材料及其制备方法和用途。
第一方面，本发明提供的具有室温铁磁性的稀磁半导体材料，包括
一锗(ge)基片，
一锗缓冲层，所述锗缓冲层生长于所述锗(ge)基片的表面，
以及一锗铁薄膜，所述锗铁薄膜生长于所述锗缓冲层的表面，所述锗铁薄膜的组分为ge1-xfex，且x＝0.02-0.05。
即，所述锗铁薄膜中，fe的摩尔量占比为2％-5％。
本发明中，作为一种优选的技术方案，所述锗(ge)基片采用<100>晶向的锗(ge)基片。
本发明中，作为一种优选的技术方案，所述锗缓冲层的厚度为20nm。
本发明中，作为一种优选的技术方案，所述锗铁薄膜为纳米量级厚度，具体为厚度为160-210nm。
本发明中，作为一种优选的技术方案，所述锗缓冲层、锗铁薄膜均利用采用分子束外延(mbe)技术生长。
本发明中，更具体的说，具有室温铁磁性的稀磁半导体材料，为采用分子束外延(mbe)技术在<100>晶向的锗(ge)基片上、于室温(20℃)下生长20nm厚度的锗缓冲层，然后于350-400℃下生长160-210nm厚度的锗铁薄膜，所述锗铁薄膜中fe的摩尔量占比为2％-5％。
本发明中，以上具有室温铁磁性的稀磁半导体材料所述的锗铁(gefe)合金薄膜的组分由锗和铁的束流比例来控制，室温(20℃)下饱和磁化强度为300-450gs。所述的锗铁(gefe)合金薄膜，室温(20℃)下导电率为3-8×10-3(ω·cm)。
第二方面，本发明提供了具有室温铁磁性的稀磁半导体材料的制备方法，包括如下步骤：
s1：选择<100>晶向的单晶锗基片，采用v(hf):v(h2o2):v(h2o)＝1:0.1:50的溶液超声清洗，再经过丙酮、酒精以及去离子水依次清洗，得到粗糙度低且洁净度高的锗基片；
s2：将步骤1中干净的锗(ge)基片放入分子束外延设备中生长锗缓冲层和锗铁(gefe)薄膜。
本发明中，作为一种优选的技术方案，所述步骤s2的详细过程为：
(1)在10-9torr量级的真空环境下，以3-5℃/min的升温速率让锗基片加热到200-300℃处理40-60分钟，以去除其表面附着的气体与杂质，然后再以2-4℃/min的降温速率降温到室温；
(2)在10-9torr量级的真空环境下，以6-8℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的锗源加温到1150-1200℃，以6-8℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的铁源加温到1250-1300℃；
(3)打开锗源的挡板，等待束流稳定，以0.4-0.6转每秒的转速匀速旋转锗基片，打开基片挡板，到达设定的生长时间后，关闭基片挡板，得到锗缓冲层；
(4)以2-4℃/min的升温速率给基片加温到350-400℃，然后打开铁源的挡板，等待束流稳定(fe和ge的束流比稳定在1：50)后，打开基片挡板，达到设定生长时间后，关闭基片挡板以及锗源和铁源的挡板，以使铁的摩尔量占比在2-5％之间，再以2-4℃/min的速率将基片温度降到室温后取出，得到所述的稀磁半导体材料。
第三方面，本发明提供了具有室温铁磁性的稀磁半导体材料的用途，由于本发明制备的稀磁半导体材料在室温下饱和磁化强度为300-450gs，导电率为3-8×10-3(ω·cm)，因此，该材料在存储、通讯、计算领域具有广泛的用途，例如自旋极化发光二极管、磁控和光控的超晶格器件、超高密度的非易失性存储器、半导体激光集成电路以及量子计算机等等，在此不作赘述。
由于采用以上技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明采用先进的分子束外延(mbe)技术制备得到良好的稀磁半导体材料锗铁(gefe)薄膜，在室温(20℃)时具有铁磁性，饱和磁化强度4πms为320-450gs，即拥有高于室温的居里温度tc，与此同时，该材料还拥有较强的导电性能，电阻率为3-8×10-3(ω·cm)。也就是说，本方法制备得到的锗铁薄膜在室温(20℃)时具有铁磁性，饱和磁化强度4πms在320-450gs范围，且导电性能强，电阻率在10-3ω·cm量级，由于其具有半导体和磁性材料的性质，即可以同时调控电子的电荷和自旋两种自由度，并且在室温下就具有铁磁性，在存储、通讯、计算等诸多领域将有极大的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例2所得到的gefe薄膜的sem测试图。
图2为实施例2中所述的一种具有室温铁磁性的稀磁半导体材料锗铁(gefe)样品的vsm测试数据。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种具有室温铁磁性的稀磁半导体材料，为采用分子束外延(mbe)技术在<100>晶向的锗(ge)基片上、于室温(20℃)下生长20nm厚度的锗缓冲层，然后生长160nm厚度的锗铁薄膜，所述锗铁薄膜中fe的摩尔量占比为3.5％，室温(20℃)下饱和磁化强度为335.2gs。
上述材料的制备方法包括以下步骤：
s1：选择<100>晶向的单晶锗基片，采用v(hf):v(h2o2):v(h2o)＝1:0.1:50的溶液超声清洗，再经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，得到粗糙度低且洁净度高的ge基片；
s2：将步骤1中干净的锗(ge)基片放入分子束外延设备中生长锗铁(gefe)薄膜，步骤s2的具体过程为：
(1)在10-9torr量级的真空环境下，以2℃/min的升温速率让锗基片加热到200℃处理40分钟，以去除其表面附着的气体与杂质，然后再以2℃/min的降温速率降温到室温；
(2)在10-9torr量级的真空环境下，以7℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的锗(ge)源加温到1150℃，以6℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的铁(fe)源加温到1250℃；
(3)打开锗源的挡板，等待束流稳定，以0.4转每秒的转速匀速旋转锗基片，打开基片挡板，到达设定的生长时间后，关闭基片挡板，得到锗缓冲层；
(4)以2℃/min的升温速率给基片加温，打开铁源的挡板，等待束流稳定后，打开基片挡板，生长120min后，关闭基片挡板以及锗源和铁源的挡板，以使铁的摩尔量占比在3.5％，再以2℃/min的速率将基片温度降到室温后取出，得到所述的稀磁半导体材料。
实施例2
一种具有室温铁磁性的稀磁半导体材料，为采用分子束外延(mbe)技术在<100>晶向的锗(ge)基片上、于室温(20℃)下生长20nm厚度的锗缓冲层，然后下生长210nm厚度的锗铁薄膜，所述锗铁薄膜中fe的摩尔量占比为3.1％。室温(20℃)下以上材料的饱和磁化强度为439.1gs。
以上材料的制备方法包括以下步骤：
s1：选择<100>晶向的单晶锗基片，采用v(hf):v(h2o2):v(h2o)＝1:0.1:50的溶液超声清洗，再经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，得到粗糙度低且洁净度高的ge基片；
s2：将步骤1中干净的锗(ge)基片放入分子束外延设备中生长锗铁(gefe)薄膜，步骤s2的具体过程为：
(1)在10-9torr量级的真空环境下，以3℃/min的升温速率让锗基片加热到250℃处理50分钟，以去除其表面附着的气体与杂质，然后再以3℃/min的降温速率降温到室温；
(2)在10-9torr量级的真空环境下，以7℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的锗(ge)源加温到1175℃，以6℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的铁(fe)源加温到1250℃；
(3)打开锗源的挡板，等待束流稳定，以0.5转每秒的转速匀速旋转锗基片，打开基片挡板，到达设定的生长时间后，关闭基片挡板，得到锗缓冲层；
(4)以3℃/min的升温速率给基片加温，打开铁源的挡板，等待束流稳定后，打开基片挡板，生长120min后，关闭基片挡板以及锗源和铁源的挡板，以使铁的摩尔量占比在3.1％，再以3℃/min的速率将基片温度降到室温后取出，得到所述的稀磁半导体材料。
实施例3
一种具有室温铁磁性的稀磁半导体材料，为采用分子束外延(mbe)技术在<100>晶向的锗(ge)基片上、于室温(20℃)下生长20nm厚度的锗缓冲层，然后生长200nm厚度的锗铁薄膜，所述锗铁薄膜中fe的摩尔量占比为2.7％，该材料室温(20℃)下饱和磁化强度为374.9gs。
以上材料的制备方法包括以下步骤：
s1：选择<100>晶向的单晶锗基片，采用v(hf):v(h2o2):v(h2o)＝1:0.1:50的溶液超声清洗，再经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，得到粗糙度低且洁净度高的ge基片；
s2：将步骤1中干净的锗(ge)基片放入分子束外延设备中生长锗铁(gefe)薄膜，步骤s2的具体过程为：
(1)在10-9torr量级的真空环境下，以4℃/min的升温速率让锗基片加热到300℃处理60分钟，以去除其表面附着的气体与杂质，然后再以4℃/min的降温速率降温到50℃；
(2)在10-9torr量级的真空环境下，以7℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的锗(ge)源加温到1200℃，以6℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的铁(fe)源加温到1250℃；
(3)打开锗源的挡板，等待束流稳定，以0.6转每秒的转速匀速旋转锗基片，打开基片挡板，到达设定的生长时间后，关闭基片挡板，得到锗缓冲层；
(4)以4℃/min的升温速率给基片加温，打开铁源的挡板，等待束流稳定后，打开基片挡板，生长120min后，关闭基片挡板以及锗源和铁源的挡板，以使铁的摩尔量占比在2.7％，再以4℃/min的速率将基片温度降到室温后取出，得到所述的稀磁半导体材料。
实施例4
一种具有室温铁磁性的稀磁半导体材料，为采用分子束外延(mbe)技术在<100>晶向的锗(ge)基片上、于室温(20℃)下生长20nm厚度的锗缓冲层，然后生长170nm厚度的锗铁薄膜，所述锗铁薄膜中fe的摩尔量占比为2％，室温(20℃)下饱和磁化强度为327.4gs。
上述材料的制备方法包括以下步骤：
s1：选择<100>晶向的单晶锗基片，采用v(hf):v(h2o2):v(h2o)＝1:0.1:50的溶液超声清洗，再经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，得到粗糙度低且洁净度高的锗基片；
s2：将步骤1中干净的锗(ge)基片放入分子束外延设备中生长锗缓冲层和锗铁(gefe)薄膜，所述步骤s2的详细过程为：
(1)在10-9torr量级的真空环境下，以3℃/min的升温速率让锗基片加热到300℃处理45分钟，以去除其表面附着的气体与杂质，然后再以2℃/min的降温速率降温到室温；
(2)在10-9torr量级的真空环境下，以6℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的锗源加温到1200℃，以6℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的铁源加温到1300℃；
(3)打开锗源的挡板，等待束流稳定，以0.4转每秒的转速匀速旋转锗基片，打开基片挡板，到达设定的生长时间后，关闭基片挡板，得到锗缓冲层；
(4)以4℃/min的升温速率给基片加温，打开铁源的挡板，等待束流稳定后，打开基片挡板，达到设定生长时间后，关闭基片挡板以及锗源和铁源的挡板，以使铁的摩尔量占比在2％，再以2℃/min的速率将基片温度降到室温后取出，得到所述的稀磁半导体材料。
实施例5
一种具有室温铁磁性的稀磁半导体材料，为采用分子束外延(mbe)技术在<100>晶向的锗(ge)基片上、于室温(20℃)下生长20nm厚度的锗缓冲层，然后生长180nm厚度的锗铁薄膜，所述锗铁薄膜中fe的摩尔量占比为5％，室温(20℃)下饱和磁化强度为337.2gs。
上述材料的制备方法包括以下步骤：
s1：选择<100>晶向的单晶锗基片，采用v(hf):v(h2o2):v(h2o)＝1:0.1:50的溶液超声清洗，再经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，得到粗糙度低且洁净度高的锗基片；
s2：将步骤1中干净的锗(ge)基片放入分子束外延设备中生长锗缓冲层和锗铁(gefe)薄膜。
本发明中，作为一种优选的技术方案，所述步骤s2的详细过程为：
(1)在10-9torr量级的真空环境下，以5℃/min的升温速率让锗基片加热到200℃处理55分钟，以去除其表面附着的气体与杂质，然后再以4℃/min的降温速率降温到室温；
(2)在10-9torr量级的真空环境下，以8℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的锗源加温到1170℃，以7℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的铁源加温到1250℃；
(3)打开锗源的挡板，等待束流稳定，以0.6转每秒的转速匀速旋转锗基片，打开基片挡板，到达设定的生长时间后，关闭基片挡板，得到锗缓冲层；
(4)以3℃/min的升温速率给基片加温，打开铁源的挡板，等待束流稳定后，打开基片挡板，达到设定生长时间后，关闭基片挡板以及锗源和铁源的挡板，以使铁的摩尔量占比在5％，再以4℃/min的速率将基片温度降到室温后取出，得到所述的稀磁半导体材料。
检测实施例
以实施例2制备的样品为例(其余实施例的检测图未附)，进行sem检测和vsm测试。
图1为得到的该材料的sem测试图。图2为实施例2中的样品在室温(20℃)下的vsm测试数据，如实施例2所述的锗铁(gefe)薄膜样品的饱和磁化强度4πms为439.1gs，矫顽力hc为133.4oe，剩磁4πmr为174.3gs；相应的如实施例2所述的锗铁(gefe)薄膜样品的薄膜电阻率为6.3×10-3ω·cm。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。