《過渡金屬摻雜ABO2型銅鐵礦結構的稀磁特性研究》是依託上海師範大學，由林方婷擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：過渡金屬摻雜ABO2型銅鐵礦結構的稀磁特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：林方婷
- 依託單位：上海師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
氧化物稀磁半導體在自旋電子器件和透明電子器件領域具有廣闊的套用前景，然而多數氧化物半導體的p型摻雜存在困難，阻礙了高居里溫度稀磁性的獲得。目前，銅鐵礦基氧化物是能夠實現空穴摻雜並獲得較高電導率的氧化物半導體之一。本項目擬以銅鐵礦結構的CuCrO2為基質，通過引入3d過渡金屬Mn、Fe、Co、Ni離子，實現高於室溫的稀磁性；研究摻雜種類、濃度及占位情況對薄膜鐵磁性和半導體性質的影響，闡明磁性起源及交換機制。具體用脈衝雷射沉積法在藍寶石基片上外延生長薄膜，通過X射線衍射、掃描電子顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡、X射線吸收精細結構、光電子能譜和穆斯堡爾譜，研究薄膜的微觀結構，獲得Cu、Cr位替代比例可控的稀磁半導體薄膜；研究不同替代情況下薄膜的磁性能與半導體性質，建立相應的規律，澄清交換機制，並通過帶隙寬度的調整實現對居里溫度的控制。研究結果將為探索新型實用的稀磁半導體材料體系提供重要的實驗依據。
結題摘要
氧化物稀磁半導體因其優異的磁、磁光和磁電等性能，在自旋電子器件和透明電子器件領域具有廣闊的套用前景。據理論預測，磁性離子的鐵磁耦合較易形成於p型半導體中。然而多數氧化物半導體的p型摻雜存在困難，阻礙了高居里溫度稀磁性的獲得。銅鐵礦（ABO2）基氧化物是具有優良p型導電性的氧化物半導體之一，其中電導率最高的是CuCrO2薄膜（220 S cm-1），這對於以空穴為媒介的磁交換作用十分有利。 按照預定方案，以CuCrO2為基質分別製備了3d過渡金屬（Fe、Mn等）摻雜的納米粉體、陶瓷塊體和外延薄膜，逐步改善結構與性能，最終獲得了具有稀磁特性、外延生長的p型氧化物半導體薄膜，實現了穩定的高居里溫度（室溫以上），良好的p型導電性，一定範圍可調的光學帶隙，以及較高的可見光透射率。採用多種方法對樣品進行了晶體結構、表面形貌、價態占位及磁、電、光性質的表征與分析。系統研究了摻雜離子種類、濃度、占位（A、B位）及價態對磁、電、光性質的影響，包括磁化強度、居里溫度、載流子類型、濃度及遷移率、電導率、可見光透射率和光學帶隙等。並通過建立磁、電、光性質之間的內在關聯，探討了磁性起源和具體的磁交換機制及導電機制，探索出銅鐵礦結構獲得稀磁特性的一般規律。已發表SCI論文7篇，EI論文3篇，申請發明專利2項，培養碩士研究生6名。 主要在Fe和Mn摻雜的系列中取得了比較理想的結果。利用脈衝雷射沉積法製備出沿c軸準外延生長的高質量薄膜，兼具室溫鐵磁性和較高的p型電導率與可見光透射率。尤其是Fe的B位摻雜對磁性十分有利，隨著Fe含量的增加，空穴濃度逐漸增大，p型電導率顯著提高了1個多數量級，可達28 S cm-1；同時，Fe3+−Cr3+間產生了以空穴為媒介的超交換相互作用，使薄膜具有室溫鐵磁性，隨著Fe含量的增加，飽和磁化強度逐漸增強，居里溫度高達572 K，這可能是目前已報導的過渡金屬摻雜CuCrO2材料中的最高值；薄膜在750 nm波長時的可見光透射率為65%~75%，光學帶隙亦可受Fe摻雜濃度調控，變化幅度為3.8%。結果表明，利用過渡金屬（Fe、Mn）部分取代B位的Cr是獲得高性能CuCrO2薄膜的有效途徑，其中Fe含量為15 at%的薄膜具有最高的p型電導率、飽和磁化強度和居里溫度以及較高的可見光透射率，有望成為可套用於透明自旋電子器件的新型p型透明稀磁半導體材料。
