磁性离子掺杂二氧化铈的铁磁性起源及相关性能研究

题名:磁性离子掺杂二氧化铈的铁磁性起源及相关性能研究
作者:宋远强
学位授予单位:电子科技大学
关键词:掺杂CeO_2;;稀磁氧化物;;室温铁磁性;;氧空位诱导铁磁性耦合;;自旋过滤效应
摘要:
 稀磁半导体(DMS)是实现自旋电子器件的材料基础。借助这种材料可以实现电子自旋的控
制、输运和注入。尤其是最近发现的具有室Magnetic lifter温铁磁性的稀磁性氧化物体系，借助这种材料可以实现
室温下的自旋过滤作用，使自旋电子器件的实用化成为可能，该方向也成为自旋电子学领域的研究
热点。本文首先从材料设计理论入手，选择多种过渡族元素(V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni)掺杂的宽禁
带氧化物CeO_2体系为研究对象，使用WIEN2k软件包采用先进的LDA+U方法，通过对体系电子结构和
态密度的计算，预测具有铁磁性的掺杂体系，并从理论上分析其铁磁性交换机制和起源问题，主要
是氧空位对掺杂磁性离子耦合机制的影响及对体系铁磁性产生的贡献，首次从理论上发现：在掺杂
CeO_2体系中磁性离子是通过氧空位产生的铁磁性耦合，符合氧空位诱导铁磁性交换耦合机制。在
此理论的指导下，实验上采用http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter平衡(固相烧结)和非平衡(磁控溅射，脉冲激光沉积-PLD)方法制备不
同掺杂体系、不同浓度和共掺杂的CeO_2基稀磁氧化物薄膜和块材。制备过程中通过改变工艺条件
、后处理退火等手段，对样品进行磁性能测试、微结构表征，辅助XPS和Raman光谱测试来研究对材
料的室温铁磁性的影响。最终得到具有室温铁磁性的Ce_(0．97)Co_(0．03)O_(2-δ)块材和薄膜样
品，其居里温度分别高达625K和760K。其室温铁磁性与氧空位浓度的关系在氧空位诱导铁磁性耦合
机制下可以得到完美的解释，并通过共掺杂实验和Ar~+轰击方法对氧空位诱导铁磁性耦合机制进行
了进一步实验验证。最后，采用四靶磁控溅射系统制备了具有不同中间层厚度的Ni(80nm)/Ce_(0．
97)Co_(0．03)O_(2-δ)(d nm)/Co_(50)Fe_(50)(80nm)三层膜结构单元(d=1nm，3nm，5nm，10nm)
，并通过磁阻(MR)测试在d=5nm的样品中得到室温下5％的磁电阻，从而证明了Ce_(0．97)Co_(0．
03)O_(2-δ)材料的室温自旋过滤功能，展现出CeO_2基稀磁氧化物材料在自旋相关器件中巨大的应
用前景。
学位年度:2009