環(huán)境半導(dǎo)體Fe3Si的制備及性能研究

摘 要：Fe-Si化合物一直作為環(huán)境半導(dǎo)體領(lǐng)域熱點(diǎn)之一，深受人們的關(guān)注，這主要是因?yàn)樗鼈冊跓犭?，光電，電磁學(xué)等各個領(lǐng)域有著廣泛并且非常深入的應(yīng)用，由于它們具有各種各樣的電磁學(xué)方面的性質(zhì)，F(xiàn)e-Si合金化合物是被作為在熱量穩(wěn)定性接觸，環(huán)保型太陽能電池，冷光光源，磁阻性轉(zhuǎn)換器件和自旋電子器件等相關(guān)領(lǐng)域具有非常美好應(yīng)用前景的明星材料之一，本文主要根據(jù)它的優(yōu)良性質(zhì)以及Fe3Si的常見科研制備方法，有針對性地對其進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究。

【關(guān)鍵詞】Fe3Si 環(huán)境半導(dǎo)體 制備 機(jī)械合金 功能材料

1 前言

在對新材料的研究不斷推進(jìn)之后，人類對新材料的了解和應(yīng)用進(jìn)入更高的層次，現(xiàn)今隨著金屬間化合物這個新材料寶庫被一步步的打開，對此領(lǐng)域的研究也更深入，而且?guī)砹嗽S多的優(yōu)良成果。Fe3Si作為常見且重要的功能材料，是硅系金屬間化合物中有廣泛應(yīng)用的一種，在科技生產(chǎn)中有著重要的地位，它具有取代普通硅鋼片的潛力，而且已大范圍用于特定的磁性材料中。隨著對Fe3Si的基本性質(zhì)、力學(xué)行為以及相變過程等研究工作的進(jìn)展，產(chǎn)生出相應(yīng)的階段性成果，并且這些結(jié)論可為改善其性能、優(yōu)化其應(yīng)用提供科學(xué)基礎(chǔ)。

2 Fe3Si的制備方法

2.1 分子束外延方法

此技術(shù)的發(fā)生過程在極其嚴(yán)格的真空條件下進(jìn)行，將摻雜物質(zhì)通過一系列的高溫高壓等其他極端物理化學(xué)條件處理，以致得到此材料的分子流。再通過已預(yù)定的控制定向?qū)σr底進(jìn)行物相應(yīng)處理操作，在高溫下會形成特定雜質(zhì)的蒸氣，因此此蒸氣被引到襯底基片上，由于這兩者之間的溫度影響而造成這些雜質(zhì)材料將會在基片上按照物理特征進(jìn)行一層層的生長從而形成所需的摻雜效果得到相應(yīng)的晶體。在此技術(shù)裝置中，有許多進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測控制的儀器以便更好的實(shí)施預(yù)先定好的標(biāo)準(zhǔn)格式。因此此技術(shù)可達(dá)到很高的精確控制能力，對于實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常制備特定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)有十分重要的作用。

2.2 化學(xué)氣相沉積方法

化學(xué)氣相沉積方法（CVD）是指在高溫下使相應(yīng)的氣態(tài)物質(zhì)與特定的材料發(fā)生化學(xué)作用，即將氣體物質(zhì)沉積在對應(yīng)的基質(zhì)上，最后獲得相應(yīng)的合金的制備方法。由于此技術(shù)作用在高溫環(huán)境下，所以氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在充足的時間下將會發(fā)生的很徹底，只要控制好相應(yīng)的量，就可以很好的制備出事先所預(yù)想的合金等化合物?；瘜W(xué)氣相沉積技術(shù)發(fā)展已有一定的時間，特別是在無機(jī)化合物制備領(lǐng)域中，在一些要求很嚴(yán)格的材料制備中廣泛被用到，當(dāng)然在制備相應(yīng)的化合物時最好要事先得到其最佳的工藝參數(shù)，以便很好的使制備過程順利進(jìn)行。

2.3 脈沖激光沉積方法

此技術(shù)在獲得多組分薄膜材料制備方法中是很實(shí)用的。此技術(shù)的構(gòu)想是由愛因斯坦首先提出的。后來有人提出使用激光來處理物料，之后布立其與客羅思使用紅寶石激光器，汽化與激發(fā)固體表面的原子。隨后，史米思與特諾利用紅寶石激光器沉積薄膜，這一做法可看成是脈沖激光沉積技術(shù)的先例。而且此技術(shù)擁有多項(xiàng)優(yōu)勢，比如其可以按照自定的過程條件來對制備的控制，以及容易處理不再需要的雜質(zhì)等別的技術(shù)所不具備的特點(diǎn)。

2.4 濺射沉積

濺射沉積方法是一種制備薄膜的常用手段，其使用具有很高能量的粒子對特定材料進(jìn)行攻擊，將其中的一些原子被濺出來，這些被濺出來的粒子有的將會在此特定材料上沉積，最終將形成特定的薄膜材料。這些過程都將會發(fā)生在真空條件下，以防止高能粒子對雜質(zhì)的攻擊，從而影響沉積的純度以及薄膜的沉積量。由于濺射沉積方法的作用原理基本上屬于物理過程，所以此方法是物理氣相沉積中一種常見的制備形式，其運(yùn)用較為廣泛，特別是在對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有特定要求時，此技術(shù)具有相當(dāng)可以加以利用的優(yōu)勢。隨著近幾十年的工藝改進(jìn)和新的配套裝置的升級，濺射沉積方法具有進(jìn)一步運(yùn)用的潛力。

2.5 電子束蒸發(fā)

電子束蒸發(fā)是一種在較高真空度的環(huán)境下將相應(yīng)的蒸汽材料引到特定的位置，再使其聚集起來形成相應(yīng)的材料。此方法是在真空度很高的環(huán)境中，使特定的物質(zhì)在高溫等嚴(yán)格條件下將它們的原子等微小顆粒脫離出來形成特定的易被引導(dǎo)的氣態(tài)形式即蒸汽流狀態(tài)，這樣此蒸汽流就可以很好的被引導(dǎo)到特定的地方參與事先已規(guī)劃好的過程。由于這些過程均處于蒸汽流形式中，所以這種方法可以用來制造純度很高的合金化合物。另外此方法中的電子束的能量密度較高，擁有別的方法所沒有高密度的優(yōu)勢，這更有利于制備高純度的特定材料。

2.6 機(jī)械合金化熱壓燒結(jié)制備法

2.6.1 機(jī)械合金化

在機(jī)械性合金制備中會使其中的物質(zhì)在工環(huán)境中產(chǎn)生高密度的碰撞、破壞以及融合，在特定的條件下更會產(chǎn)生出新的結(jié)構(gòu)形態(tài)，對此過程的控制是非常關(guān)鍵的，是制備特定材料的重要因素。在制備過程中，其中的粉末等形式的物質(zhì)將會被劇烈的撞擊等物理過程，其會產(chǎn)生出多種別的傳統(tǒng)制備方法所不具備的優(yōu)勢。

2.6.2 熱壓燒結(jié)處理

燒結(jié)是指一種將要處理的粉末等狀物質(zhì)處于特定的環(huán)境中，然后對其加熱處理，在此過程中被燒結(jié)的物質(zhì)將會發(fā)生物理結(jié)構(gòu)上的特定反應(yīng)的制備一些材料的常用方法。在此過程中，對溫度的控制尤其重要，加熱的溫度一般要在此物質(zhì)的組分熔點(diǎn)溫度以下，在利用此燒結(jié)來增強(qiáng)粉末間的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。熱壓燒結(jié)是指在前面的處理過程中，選擇一個合適的溫度和壓強(qiáng)的時刻對粉末物質(zhì)進(jìn)行特定的外加施壓。這種熱壓對粉末物質(zhì)間的結(jié)構(gòu)形成和增強(qiáng)是很有幫助的。

3 應(yīng)用難點(diǎn)

Fe3Si的缺點(diǎn)比較棘手，它具有金屬間化合物的通病即質(zhì)脆特性，這制約著其廣泛的生產(chǎn)。在室溫下的脆性一直是制約其發(fā)展和應(yīng)用的不利因素，采用粉末冶金方法制備的Fe3Si可以避開這一不利因素，為Fe3Si的實(shí)用化提供了一條可能的途徑。

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作者簡介

吳良慶（1990-），男， 安徽省安慶市人。工學(xué)碩士學(xué)位。現(xiàn)在貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)學(xué)院電科系大學(xué)本科在讀學(xué)生。研究方向?yàn)槲㈦娮硬牧霞肮に嚒?/p>

作者單位

貴州大學(xué) 貴州省貴陽市 550025