環境半導體Fe3Si的制備及性能研究

摘 要：Fe-Si化合物一直作為環境半導體領域熱點之一，深受人們的關注，這主要是因為它們在熱電，光電，電磁學等各個領域有著廣泛并且非常深入的應用，由于它們具有各種各樣的電磁學方面的性質，Fe-Si合金化合物是被作為在熱量穩定性接觸，環保型太陽能電池，冷光光源，磁阻性轉換器件和自旋電子器件等相關領域具有非常美好應用前景的明星材料之一，本文主要根據它的優良性質以及Fe3Si的常見科研制備方法，有針對性地對其進行深入、系統的研究。

【關鍵詞】Fe3Si 環境半導體 制備 機械合金 功能材料

1 前言

在對新材料的研究不斷推進之后，人類對新材料的了解和應用進入更高的層次，現今隨著金屬間化合物這個新材料寶庫被一步步的打開，對此領域的研究也更深入，而且帶來了許多的優良成果。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用的一種，在科技生產中有著重要的地位，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、力學行為以及相變過程等研究工作的進展，產生出相應的階段性成果，并且這些結論可為改善其性能、優化其應用提供科學基礎。

2 Fe3Si的制備方法

2.1 分子束外延方法

此技術的發生過程在極其嚴格的真空條件下進行，將摻雜物質通過一系列的高溫高壓等其他極端物理化學條件處理，以致得到此材料的分子流。再通過已預定的控制定向對襯底進行物相應處理操作，在高溫下會形成特定雜質的蒸氣，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材料將會在基片上按照物理特征進行一層層的生長從而形成所需的摻雜效果得到相應的晶體。在此技術裝置中，有許多進行實時監測控制的儀器以便更好的實施預先定好的標準格式。因此此技術可達到很高的精確控制能力，對于實驗室中經常制備特定結構的物質有十分重要的作用。

2.2 化學氣相沉積方法

化學氣相沉積方法（CVD）是指在高溫下使相應的氣態物質與特定的材料發生化學作用，即將氣體物質沉積在對應的基質上，最后獲得相應的合金的制備方法。由于此技術作用在高溫環境下，所以氣態物質的化學反應在充足的時間下將會發生的很徹底，只要控制好相應的量，就可以很好的制備出事先所預想的合金等化合物。化學氣相沉積技術發展已有一定的時間，特別是在無機化合物制備領域中，在一些要求很嚴格的材料制備中廣泛被用到，當然在制備相應的化合物時最好要事先得到其最佳的工藝參數，以便很好的使制備過程順利進行。

2.3 脈沖激光沉積方法

此技術在獲得多組分薄膜材料制備方法中是很實用的。此技術的構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的先例。而且此技術擁有多項優勢，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等別的技術所不具備的特點。

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。這些過程都將會發生在真空條件下，以防止高能粒子對雜質的攻擊，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，其運用較為廣泛，特別是在對物質的結構有特定要求時，此技術具有相當可以加以利用的優勢。隨著近幾十年的工藝改進和新的配套裝置的升級，濺射沉積方法具有進一步運用的潛力。

2.5 電子束蒸發

電子束蒸發是一種在較高真空度的環境下將相應的蒸汽材料引到特定的位置，再使其聚集起來形成相應的材料。此方法是在真空度很高的環境中，使特定的物質在高溫等嚴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的氣態形式即蒸汽流狀態，這樣此蒸汽流就可以很好的被引導到特定的地方參與事先已規劃好的過程。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勢，這更有利于制備高純度的特定材料。

2.6 機械合金化熱壓燒結制備法

2.6.1 機械合金化

在機械性合金制備中會使其中的物質在工環境中產生高密度的碰撞、破壞以及融合，在特定的條件下更會產生出新的結構形態，對此過程的控制是非常關鍵的，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將會被劇烈的撞擊等物理過程，其會產生出多種別的傳統制備方法所不具備的優勢。

2.6.2 熱壓燒結處理

燒結是指一種將要處理的粉末等狀物質處于特定的環境中，然后對其加熱處理，在此過程中被燒結的物質將會發生物理結構上的特定反應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的組分熔點溫度以下，在利用此燒結來增強粉末間的結構穩定性。熱壓燒結是指在前面的處理過程中，選擇一個合適的溫度和壓強的時刻對粉末物質進行特定的外加施壓。這種熱壓對粉末物質間的結構形成和增強是很有幫助的。

3 應用難點

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

參考文獻

[1]周琦，趙紅順，賈建剛等.Fe3Si基金屬間化合物的研究進展[J].甘肅科學學報，2007，19（4）：29-33.

[2]田民波.薄膜技術與薄膜材料[M].清華大學出版社，2006.

[3]陳站，張晉敏，朱培強等.金屬間化合物Fe3Si的制備方法[J].納米科技，2011，2，8（1）.

作者簡介

吳良慶（1990-），男， 安徽省安慶市人。工學碩士學位。現在貴州大學大數據學院電科系大學本科在讀學生。研究方向為微電子材料及工藝。

作者單位

貴州大學 貴州省貴陽市 550025