共摻雜CuCrO2基P型稀磁半導(dǎo)體的制備及物性研究.pdf

1、氧化物稀磁半導(dǎo)體因具有優(yōu)良的磁、磁光、磁電性質(zhì)以及可見光區(qū)域的高透射率而備受關(guān)注。據(jù)理論預(yù)測(cè)，P型稀磁半導(dǎo)體中的高空穴濃度對(duì)磁交換作用十分有利。然而，大多數(shù)氧化物半導(dǎo)體的P型摻雜難以獲得，使P型氧化物稀磁半導(dǎo)體的研究受到了極大的限制。本文以ABO2結(jié)構(gòu)的CuCrO2 P型半導(dǎo)體為基質(zhì)，借助Mg摻雜可獲得高空穴濃度的特點(diǎn)，對(duì)其B位進(jìn)行Mg/3d過渡金屬的共摻雜，實(shí)現(xiàn)了磁性能的改善。主要采用X射線衍射、X射線光電子能譜、穆斯堡爾譜、掃描電子

2、顯微鏡、綜合物性測(cè)量系統(tǒng)與熒光光譜儀等，對(duì)樣品的相結(jié)構(gòu)、離子價(jià)態(tài)、表面形貌、磁學(xué)及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　?、爬霉滔喾磻?yīng)與球磨相結(jié)合的方法，在CuCrO2的B位引入Mg、Fe離子，制備出Cu(Cr0.96-xMg0.04Fex)O2-δ(x=0~9 at％)系列納米粉體。固定Mg含量，研究Fe含量對(duì)樣品微結(jié)構(gòu)與物性的影響。結(jié)果表明：①所有樣品都具有銅鐵礦單相結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e離子以3+的價(jià)態(tài)取代B位的Cr3+。由于Fe

3、3+半徑大于Cr3+，晶胞體積隨著Fe含量的增加呈近似線性增長(zhǎng)。晶格膨脹有利于間隙氧原子的插入，因此間隙氧含量隨著Fe含量的增加而逐漸增大。相應(yīng)地，源自間隙氧原子的空穴濃度也得到了提高。②Mg/Fe共摻雜使Fe3+–Cr3+離子對(duì)間產(chǎn)生了以空穴為媒介的鐵磁超交換相互作用，從而獲得了鐵磁性。與文獻(xiàn)報(bào)道的只摻雜3d過渡金屬的CuCrO2基樣品相比，Mg/Fe共摻雜使飽和磁化強(qiáng)度和居里溫度均得到明顯的提高，這與Mg摻雜使CuCrO2的p型導(dǎo)電

4、性增強(qiáng)有關(guān)。飽和磁化強(qiáng)度主要受三個(gè)因素的影響：B位離子對(duì)數(shù)目、B位離子間距及空穴濃度。③Mg/Fe共摻雜帶來(lái)了大量的間隙氧原子缺陷，對(duì)應(yīng)的缺陷能級(jí)躍遷使樣品在近紅外波段出現(xiàn)了熒光發(fā)光峰。
　?、评霉滔喾磻?yīng)法，在CuCrO2的B位引入 Mg、Mn離子，制備出Cu(Cr0.96-xMg0.04Mnx)O2-δ(x=0~15 at%)系列陶瓷。固定Mg含量，研究Mn含量對(duì)樣品微結(jié)構(gòu)與物性的影響。結(jié)果表明：①所有樣品都具有銅鐵礦單相結(jié)構(gòu)

5、，Mn離子以3+/4+的混合價(jià)態(tài)取代B位的Cr3+。當(dāng)Mn含量從5 at%增大到15 at%時(shí)，Mn3+/Mn4+相對(duì)比例逐漸減小，離子尺寸效應(yīng)使晶胞體積隨之減小。晶格收縮不利于間隙氧原子的插入，導(dǎo)致間隙氧含量逐漸減小，但始終高于未摻Mg的CuCrO2。相應(yīng)地，空穴濃度也隨著Mn含量的增加而降低。②Mg/Mn共摻雜使Mn3+–Mn4+、Mn3+–Cr3+離子對(duì)間均產(chǎn)生了以空穴為媒介的鐵磁雙交換相互作用，從而使樣品逐漸由順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性

6、。與文獻(xiàn)報(bào)道的只摻雜Mn的CuCrO2基陶瓷相比，Mg/Mn共摻雜使飽和磁化強(qiáng)度和居里溫度分別提高了6.5倍和50%。③Mg/Mn共摻雜引起的缺陷能級(jí)躍遷使樣品在近紅外波段出現(xiàn)了熒光發(fā)光峰。改變激發(fā)波長(zhǎng)還可觀察到紅色發(fā)光峰，是來(lái)自3d94s1–3d10帶內(nèi)躍遷的帶邊發(fā)射。
　?、抢妹}沖激光沉積法，在藍(lán)寶石襯底上制備了Cu(Cr0.96-xMg0.04Mnx)O2-δ(x=0~15 at%)系列薄膜。以x=9 at%為例，薄膜具有