過渡金屬摻雜CuCrO2陶瓷及薄膜的制備與性能研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體是指磁性過渡金屬或稀土金屬離子部分取代化合物半導(dǎo)體（通常為AB型）陽離子，從而形成三元或四元的化合物。由于微量的磁性原子的引入，改變了原有的半導(dǎo)體的微觀機制，因此使稀磁半導(dǎo)體在磁學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等方面具有極其獨特的性質(zhì)，因此在自旋電子器件與透明電子器件領(lǐng)域顯示出廣闊的潛在應(yīng)用。然而，多數(shù)稀磁半導(dǎo)體的p型摻雜難以實現(xiàn)，會阻礙高居里溫度稀磁性的獲得。本論文以p型銅鐵礦結(jié)構(gòu)的CuCrO2為基質(zhì)，通過3d過渡金屬Fe、Mn離子的摻雜，實

2、現(xiàn)了較高溫度的稀磁性;通過改變摻雜離子的種類、濃度及替代位置，研究了樣品的微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌、磁學(xué)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，并對磁性起源及具體的磁交換機制進行了探討。
　　 首先，利用固態(tài)反應(yīng)法分別制備了Cu(Cr1-xFex)O2(x=0、1％、5％、10％、15％)、(Cu1-xFe x)CrO2(x=0、1％、2％、3％、4％、5％、10％、15％)和Cu(Cr1-xMnx)O2(x=0、5％、10％、15％)三個系列的陶瓷樣品。

3、
　　 (1) Cu(Cr1-xFex)O2系列樣品均具有CuCrO2銅鐵礦單相結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)隨著Fe摻雜濃度的增大而增大，說明Fe離子以3+的價態(tài)取代了Cr3+，X射線光電子能譜(XPS)和穆斯堡爾譜的分析都進一步證實了這一結(jié)論。Fe3+與Cr3+離子的共存引起了以空穴為媒介的Fe3+-Cr3+超交換相互作用，從而產(chǎn)生了鐵磁性。飽和磁化強度受離子對數(shù)目、離子間距及空穴濃度的影響，隨Fe含量的增加而逐漸減小。Fe摻雜使居里溫度顯

4、著提高，是文獻(xiàn)值的兩倍多，可達(dá)到246 K以上，接近于室溫。
　　 (2)(Cu1-xFex)CrO2系列樣品摻雜濃度在0-4％范圍具有CuCrO2銅鐵礦單相結(jié)構(gòu)，當(dāng)摻雜濃度在5-15％范圍時出現(xiàn)雜質(zhì)峰，表明高濃度替位摻雜難以實現(xiàn)。
　　 (3) Cu(Cr1-xMnx)O2系列樣品均具有CuCrO2銅鐵礦單相結(jié)構(gòu)。在陶瓷研究的基礎(chǔ)上，進一步利用脈沖激光沉積(PLD)法在藍(lán)寶石基片上分別制備了Fe和Mn摻雜的CuCrO2

5、單相薄膜，通過改變氧壓、襯底溫度、激光頻率、濺射時間等參數(shù)，實現(xiàn)了沿c軸方向的準(zhǔn)外延生長。
　　 (1) Cu(Cr1-xFex)O2(x=0、5％、10％、15％)系列薄膜具有銅鐵礦單相結(jié)構(gòu)，且沿著c軸方向準(zhǔn)外延生長。XPS譜分析表明，Cu、Cr離子分別以1+和3+的價態(tài)存在，可推斷Fe離子以3+的形式占據(jù)Cr位。薄膜電阻率隨著溫度的增加呈減小趨勢，且霍爾系數(shù)均為正，說明薄膜為P型半導(dǎo)體。在可見光區(qū)域的透射率最高可達(dá)75％，光