FeAl納米線的制備方法及其用圖
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于磁性材料技術領域，具體地說，本發(fā)明涉及一種半金屬Heusler (哈斯勒)合金材料，更具體的說，本發(fā)明涉及一種半金屬哈斯勒合金Co2FeAl納米線的制備方法及其用途。
【背景技術】
[0002]電子具有電荷和自旋兩個內(nèi)稟屬性，以往的研宄只是涉及利用了電子的電荷特性，近些年來，隨著自旋電子學的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)稀磁半導體能夠同時利用電子的電荷和自旋來進行信息的處理和存儲。但關鍵問題是自旋極化電子注入到半導體材料中的效率很低。因此，從材料研宄者角度講，搜尋這種單一自旋的材料或者具有高自旋極化率的材料顯得尤為重要。其中一類最為重要的材料是所謂的“半金屬材料”，半金屬是一種自旋取向的電子(設定為自旋向上的電子)的能帶結構呈現(xiàn)金屬性，即Fermi面處于導帶中，具有金屬的行為；而另一自旋取向的電子(設定為自旋向下的電子)呈現(xiàn)絕緣體性質(zhì)或半導體性質(zhì)，所以半金屬材料是以兩種自旋電子的行為不同(即金屬性和非金屬性)為特征的新型功能材料。因為半金屬這種特殊的能帶結構，使得半金屬(half-metallic)鐵磁體有著較高的居里溫度和理論上接近100 %的高自旋極化率。因此，半金屬成為眾多研宄者重點關注的一種材料，無疑將會成為理想的半導體自旋電子注入源。
[0003]從結構上可以將半金屬材料分為尖晶石結構型半金屬材料，如！Fe3O4等；鈣態(tài)礦結構及雙媽態(tài)礦結構型半金屬，如:La2/ 3Mn03，La0 731'0^]104等；金紅石結構型半金屬，其中，Co-基的哈斯勒(Heusler)合金Co2YZ因其特殊的結構而成為重要的研宄對象。Co-基半金屬Heusler合金材料具有的磁學性質(zhì)及其高自旋極化率的性質(zhì)主要適用于制作自旋電子器件，包括自旋閥(Spin Value，SPV)和磁性隧道結(Magnetic TunnelingJunct1n，MTJ)。對于Co-基的Heusler合金而言，人們從開始對其進行研宄至今，基本都是采用磁控濺射技術制制備而成，例如，申請?zhí)枮?2128681.7公開了一種用共濺射法沉積具有X2YZ或XYZ結構的赫斯勒合金薄膜；申請?zhí)枮?00910081790.X的專利也公開了利用磁控濺射儀制備半金屬合成反鐵磁結構，雖然采用該方法能夠得到結構良好的合金薄膜，對該領域的研宄工作也奠定了一定的基礎，但是，利用磁控濺射方法所需的成本很高，且利用該方法制備Heusler合金的過程中需同時精確控制磁控濺射沉積裝置的溫度、真空度、氣壓等工藝參數(shù)，濺射沉積條件苛刻，是一種比較復雜、成本很高的方法?，F(xiàn)有技術中也有采用其他方法制備Co-基Heusler合金的，例如蘭州大學左亞路、席力等人均以氯化鈷、硝酸鐵和硫酸鋁為原料采用共沉淀法制備得到了 Co2FeAl合金顆粒，得到了具有良好B2結構取向的納米顆粒。雖然采用該濕化學共沉淀法很大程度上降低了成本，得到了具有良好結構的合金顆粒，但是在制備過程中沉淀劑的加入可能會使反應物局部濃度過高，發(fā)生團聚，使得產(chǎn)物Co2FeAl合金顆粒尺寸不均勻，影響產(chǎn)物最終的使用性能。
[0004]納米線是納米技術的一個重要組成部分，具有其它大塊材料所沒有的獨特的物理化學特性，如量子尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應等，使其在量子器件、納電子器械、場發(fā)射器和生物分子納米感應器等領域具有廣泛的應用前景，因此制備Co-基的Heusler合金納米線對于自旋電子的檢測、制作自旋電子器件都將起到巨大的推動作用。2014年4月Anjali Yadav與Sujeet Chaudhary報道的半金屬Co2FeAl合金是通過直流脈沖控制的磁控濺射的方式在Si襯底上同時濺射Co、Fe、Al靶材而形成的，通過改變施加在不同靶材上的直流功率優(yōu)化CFA (Co2FeAl,簡稱CFA)合金薄膜的化學計量以及通過X射線能譜法調(diào)控CFA合金薄膜的化學成分，通過這樣的方法得到結構性能良好的CFA合金薄膜(Structural and dynamical magnetic response of co-sputtered Co2FeAl heusleralloy thin films grown at different substrate temperatures, 2014, 115(13),JOURNAL OF APPLIED PHYSICS)。但是這種方法存在成本高，過程繁瑣以及工藝條件難以控制等缺點。而且采用電子束曝光等微加工手段將制備得到的CFA薄膜再加工成CFA納米線也存在工藝復雜以及參數(shù)條件難以控制、成本高等缺點。
[0005]綜上所述，亟待開發(fā)出一種工藝簡單、成本低、效率高的制備具有良好結構的Co2FeAl哈斯勒合金納米線的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服現(xiàn)有技術存在的不足，為Co2FeAl哈斯勒合金納米線的制備開辟新途徑，本發(fā)明的目的在于提供一種半金屬哈斯勒合金Co2FeAl納米線的制備方法，該方法不需要大型儀器設備、也無需控制難以精確控制的復雜工藝參數(shù)，因此該方法制備工藝簡單、成本低、效率高，且制備得到的Co2FeAl納米線結構良好、重復性好，便于規(guī)模化制備。本發(fā)明的另一目的還在于提供一種通過上述方法制備得到的Co2FeAl納米線的應用，該Co2FeAl納米線可應用于自旋閥多層膜結構以及自旋電子的檢測。
[0007]為了實現(xiàn)本發(fā)明的第一個目的，采用如下技術方案:
一種半金屬哈斯勒合金Co2FeAl納米線的制備方法，包括如下步驟:
步驟一:制備催化Co2FeAl哈斯勒合金顆粒用催化劑:取IcmX Icm的Si (100)片作為襯底，先用質(zhì)量百分比濃度為2?5%的HF溶液浸蝕30?50s，然后用去離子水沖洗干凈后再分別在丙酮和酒精溶液中用超聲波清洗2?3min，得到潔凈的Si片襯底，然后在Si片上蒸鍍一層金膜作為催化劑；
步驟二:將純凈的Co2FeAl哈斯勒合金顆粒裝在氧化鋁方舟中，放在管式爐的恒溫中心位置，將步驟一所述蒸鍍有金膜催化劑的Si片襯底放在距Co2FeAl源氣路下游15cm的位置，所述管式爐升溫速率為10?20°C /min,當Co2FeAl源溫度上升到2000°C時向管式爐中通入純度為99.99%的Ar氣，Ar氣流量為40sccm，所述管式爐溫度保持在2200°C，此時Si片襯底溫度為700°C，爐管內(nèi)的真空度保持在1.99 X 14Pa,沉積時間30?40min，自然冷卻后取出Si襯底，Si襯底上得到的產(chǎn)物即為Co2FeAl納米線。
[0008]進一步地，上述方案步驟一所述在Si片上蒸鍍的金膜的厚度為10nm。
[0009]進一步地，上述方案步驟二所述制備得到的Co2FeAl納米線直徑為80?lOOnm，長度為幾十到幾百微米不等。
[0010]進一步地，上述方案所述的Co2FeAl哈斯勒合金顆粒由如下方法制備而成，包括如下步驟: (1)按氯化鈷、硝酸鐵、硫酸鋁的摩爾比例為4:2:1，分別稱取氯化鈷、硝酸鐵和硫酸鋁原料備用；
(2)將步驟(I)中所述稱取好的氯化鈷、硝酸鐵和硫酸鋁原料依次溶于去離子水中制成均勻透明的混合溶液，并用玻璃棒不斷攪拌；
(3)稱取一定量的NaOH固體顆粒溶于去離子水中，配制NaOH溶液，然后將所述NaOH溶液逐滴加入到步驟(2)所述的不斷攪拌著的均勻透明混合溶液中，隨著NaOH溶液的加入，透明混合溶液逐漸變渾濁，溶液中出現(xiàn)渾濁物并逐漸增多，在整個反應過程中用PH計檢測混合溶液的PH值，直至混合溶液的PH值到達到7時立刻停止滴加NaOH溶液，得到粘稠狀混合物；
(4)將步驟(3)所述得到的粘稠狀混合物置于烘箱或真空干燥箱中在80°C下烘烤5h，得到固體樣品，然后將得到的固體樣品研磨粉碎，得到粉末樣品；
(5)將步驟(4)所述得到的粉末樣品在H2氣與Ar氣混合氣體氣氛下退火處理17h，其中，退火溫度為650?700°C，混合氣體中H2氣的體積占5%，Ar氣體積占95%，得到純凈的Co2FeAl哈斯勒合金顆粒。
[0011]進一步地，步驟(I)所述氯化鈷為純度為99%的CoCl2.6Η20，所述硝酸鐵為純度為99% Fe (NO3) 3.9Η20，所述硫酸鋁為純度為 98% 的 Al2 (SO4) 3.18Η20。
[0012]進一步地，從制得的Co2FeAl哈斯勒合金顆粒樣品的純度角度考慮，步驟(2)所述混合溶液中溶劑去離子水的體積與溶質(zhì)氯化鈷、硝酸鐵、硫酸鋁的總質(zhì)量的配比優(yōu)選為
10ml:0.8088go
[0013]進一步地，步驟(3)所述NaOH固體顆粒與步驟(I)所述氯化鈷原料的摩爾比例為5山
[0014]為了實現(xiàn)本發(fā)明的第二個目的，本發(fā)明將通過上述方法制備得到的Co2FeAl納米線應用于自旋閥多層膜結構。
[0015]本發(fā)明提供的一種簡易自旋閥器件，由襯底、非磁性層、鐵磁層三層結構組成，所述襯底往上第一層為非磁性層，所述非磁性層往上一層為鐵磁層，所述襯底優(yōu)選為MgO基片，所述非磁性層優(yōu)選為Ag薄膜，所述鐵磁層由本發(fā)明上述制備得到的Co2FeAl納米線組成。
[0016]進一步優(yōu)選地，所述非磁性層Ag薄膜的厚度為20?200nm，Ag薄膜的寬度為50nm，所述鐵磁層由平行放置的間距為200nm的Co2FeAl納米線組成。
[0017]將采用本發(fā)明方法制備得到的高自旋極化率和高居里溫度的Co2FeAl納米線作為磁性層，能夠使自旋閥器件的磁翻轉場降低，磁電阻率和熱穩(wěn)定性提高，進而使器件具有更高存儲密度的可能。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點=(I)SCo2FeAl哈斯勒合金納米線的制備開辟新途徑，制備出的Co2FeAl納米線具有高自旋極化率和高居里溫度，將制備得到的Co2FeAl納米線應用于自旋閥多層膜結構以及自旋電子的檢測，能夠獲得更高的磁電阻效應，滿足高靈敏度和存儲密度的磁傳感器和磁存儲器的使用要求；(2)本發(fā)明提供的一種半金屬哈斯勒合金Co2FeAl納米線的制備方法，該方法不