环境半导体Fe3Si的制备及性能研究

摘 要：Fe-Si化合物一直作为环境半导体领域热点之一，深受人们的关注，这主要是因为它们在热电，光电，电磁学等各个领域有着广泛并且非常深入的应用，由于它们具有各种各样的电磁学方面的性质，Fe-Si合金化合物是被作为在热量稳定性接触，环保型太阳能电池，冷光光源，磁阻性转换器件和自旋电子器件等相关领域具有非常美好应用前景的明星材料之一，本文主要根据它的优良性质以及Fe3Si的常见科研制备方法，有针对性地对其进行深入、系统的研究。

【关键词】Fe3Si 环境半导体 制备 机械合金 功能材料

1 前言

在对新材料的研究不断推进之后，人类对新材料的了解和应用进入更高的层次，现今随着金属间化合物这个新材料宝库被一步步的打开，对此领域的研究也更深入，而且带来了许多的优良成果。Fe3Si作为常见且重要的功能材料，是硅系金属间化合物中有广泛应用的一种，在科技生产中有着重要的地位，它具有取代普通硅钢片的潜力，而且已大范围用于特定的磁性材料中。随着对Fe3Si的基本性质、力学行为以及相变过程等研究工作的进展，产生出相应的阶段性成果，并且这些结论可为改善其性能、优化其应用提供科学基础。

2 Fe3Si的制备方法

2.1 分子束外延方法

此技术的发生过程在极其严格的真空条件下进行，将掺杂物质通过一系列的高温高压等其他极端物理化学条件处理，以致得到此材料的分子流。再通过已预定的控制定向对衬底进行物相应处理操作，在高温下会形成特定杂质的蒸气，因此此蒸气被引到衬底基片上，由于这两者之间的温度影响而造成这些杂质材料将会在基片上按照物理特征进行一层层的生长从而形成所需的掺杂效果得到相应的晶体。在此技术装置中，有许多进行实时监测控制的仪器以便更好的实施预先定好的标准格式。因此此技术可达到很高的精确控制能力，对于实验室中经常制备特定结构的物质有十分重要的作用。

2.2 化学气相沉积方法

化学气相沉积方法（CVD）是指在高温下使相应的气态物质与特定的材料发生化学作用，即将气体物质沉积在对应的基质上，最后获得相应的合金的制备方法。由于此技术作用在高温环境下，所以气态物质的化学反应在充足的时间下将会发生的很彻底，只要控制好相应的量，就可以很好的制备出事先所预想的合金等化合物。化学气相沉积技术发展已有一定的时间，特别是在无机化合物制备领域中，在一些要求很严格的材料制备中广泛被用到，当然在制备相应的化合物时最好要事先得到其最佳的工艺参数，以便很好的使制备过程顺利进行。

2.3 脉冲激光沉积方法

此技术在获得多组分薄膜材料制备方法中是很实用的。此技术的构想是由爱因斯坦首先提出的。后来有人提出使用激光来处理物料，之后布立其与客罗思使用红宝石激光器，汽化与激发固体表面的原子。随后，史米思与特诺利用红宝石激光器沉积薄膜，这一做法可看成是脉冲激光沉积技术的先例。而且此技术拥有多项优势，比如其可以按照自定的过程条件来对制备的控制，以及容易处理不再需要的杂质等别的技术所不具备的特点。

2.4 溅射沉积

溅射沉积方法是一种制备薄膜的常用手段，其使用具有很高能量的粒子对特定材料进行攻击，将其中的一些原子被溅出来，这些被溅出来的粒子有的将会在此特定材料上沉积，最终将形成特定的薄膜材料。这些过程都将会发生在真空条件下，以防止高能粒子对杂质的攻击，从而影响沉积的纯度以及薄膜的沉积量。由于溅射沉积方法的作用原理基本上属于物理过程，所以此方法是物理气相沉积中一种常见的制备形式，其运用较为广泛，特别是在对物质的结构有特定要求时，此技术具有相当可以加以利用的优势。随着近几十年的工艺改进和新的配套装置的升级，溅射沉积方法具有进一步运用的潜力。

2.5 电子束蒸发

电子束蒸发是一种在较高真空度的环境下将相应的蒸汽材料引到特定的位置，再使其聚集起来形成相应的材料。此方法是在真空度很高的环境中，使特定的物质在高温等严格条件下将它们的原子等微小颗粒脱离出来形成特定的易被引导的气态形式即蒸汽流状态，这样此蒸汽流就可以很好的被引导到特定的地方参与事先已规划好的过程。由于这些过程均处于蒸汽流形式中，所以这种方法可以用来制造纯度很高的合金化合物。另外此方法中的电子束的能量密度较高，拥有别的方法所没有高密度的优势，这更有利于制备高纯度的特定材料。

2.6 机械合金化热压烧结制备法

2.6.1 机械合金化

在机械性合金制备中会使其中的物质在工环境中产生高密度的碰撞、破坏以及融合，在特定的条件下更会产生出新的结构形态，对此过程的控制是非常关键的，是制备特定材料的重要因素。在制备过程中，其中的粉末等形式的物质将会被剧烈的撞击等物理过程，其会产生出多种别的传统制备方法所不具备的优势。

2.6.2 热压烧结处理

烧结是指一种将要处理的粉末等状物质处于特定的环境中，然后对其加热处理，在此过程中被烧结的物质将会发生物理结构上的特定反应的制备一些材料的常用方法。在此过程中，对温度的控制尤其重要，加热的温度一般要在此物质的组分熔点温度以下，在利用此烧结来增强粉末间的结构稳定性。热压烧结是指在前面的处理过程中，选择一个合适的温度和压强的时刻对粉末物质进行特定的外加施压。这种热压对粉末物质间的结构形成和增强是很有帮助的。

3 应用难点

Fe3Si的缺点比较棘手，它具有金属间化合物的通病即质脆特性，这制约着其广泛的生产。在室温下的脆性一直是制约其发展和应用的不利因素，采用粉末冶金方法制备的Fe3Si可以避开这一不利因素，为Fe3Si的实用化提供了一条可能的途径。

参考文献

[1]周琦，赵红顺，贾建刚等.Fe3Si基金属间化合物的研究进展[J].甘肃科学学报，2007，19（4）：29-33.

[2]田民波.薄膜技术与薄膜材料[M].清华大学出版社，2006.

[3]陈站，张晋敏，朱培强等.金属间化合物Fe3Si的制备方法[J].纳米科技，2011，2，8（1）.

作者简介

吴良庆（1990-），男， 安徽省安庆市人。工学硕士学位。现在贵州大学大数据学院电科系大学本科在读学生。研究方向为微电子材料及工艺。

作者单位

贵州大学 贵州省贵阳市 550025

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