磁性离子掺杂二氧化铈的铁磁性起源及相关性能研究

论文摘要

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CeO2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CeO2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CeO2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Ce0．97Co0．03O2-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）/Ce0．97Co0．03O2-δ（d nm）/Co50Fe50（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Ce0．97Co0．03O2-δ材料的室温自旋过滤功能，展现出CeO2基稀磁氧化物材料在自旋相关器件中巨大的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 稀磁半导体的概述
• 1.2.1 稀磁半导体研究的历史与现状
• 1.2.2 稀磁氧化物体系
• 1.2.3 稀磁材料铁磁性起源的物理机制
• 1.3 小结
• 1.4 本论文的选题依据及内容安排
• 第二章 第一性原理计算的基本理论及软件包介绍
• 2.1 引言
• 2.2 基于密度泛函理论的第一性原理
• 2.3 密度泛函（DFT）理论
• 2.3.1 玻恩-奥本海默近似
• 2.3.2 Hohenberg-Kohn定理:多体理论
• 2.3.3 Kohn-Sham方程:有效单体理论
• xc（r）'>2.3.4 Kohn-Sham方程中的交换相关势V_xc（r）
• 2.3.5 Kohn-Sham方程的求解
• 2.4 WIEN2k软件包
• 2.4.1 一些常用软件包及其特点
• 2.4.2 WIEN及其特点
• 2体系的优势'>2.5 分析采用WIEN2k计算掺杂CeO₂体系的优势
• 2.6 小结
• 2电子结构和磁性的第一性原理计算'>第三章 掺杂CeO₂电子结构和磁性的第一性原理计算
• 3.1 引言
• 3.2 掺杂体系的选择
• 3.2.1 影响结构稳定性的因素
• 2体系中掺杂元素的选择'>3.2.2 掺杂CeO₂体系中掺杂元素的选择
• 3.2.3 磁性离子的电子组态
• 3.3 我们建立的计算模型及计算方法
• 3.3.1 计算模型的建立
• 3.3.2 计算方法
• 2体系的电子结构及磁性能'>3.4 CeO₂体系的电子结构及磁性能
• 2体系的电子结构及磁性能'>3.5 掺杂CeO₂体系的电子结构及磁性能
• 2体系'>3.5.1 Co掺杂CeO₂体系
• 2体系'>3.5.2 其他磁性离子掺杂的CeO₂体系
• 3.6 小结
• 2块材、粉体的制备和磁性能研究'>第四章 掺杂CeO₂块材、粉体的制备和磁性能研究
• 4.1 引言
• 2块材'>4.2 固相反应制备Co掺杂CeO₂块材
• 2块材的微结构表征'>4.3 Co掺杂CeO₂块材的微结构表征
• 2块材的磁性'>4.4 Co掺杂CeO₂块材的磁性
• 4.4.1 烧结温度对磁性能的影响
• 2体系的磁性'>4.4.2 1300℃烧结的Co掺杂CeO₂体系的磁性
• 0.97Co_0.03O₂磁性能的影响'>4.4.3 气氛退火对Ce_0.97Co_0.03O₂磁性能的影响
• 0.97Co_0.03O_2-δ样品的XPS谱和Raman谱'>4.4.4 Ce_0.97Co_0.03O_2-δ样品的XPS谱和Raman谱
• 0.97Co_0.03O_2-δ磁性能的影响'>4.4.5 共掺杂对Ce_0.97Co_0.03O_2-δ磁性能的影响
• 2块材的频谱特性'>4.4.6 Co掺杂CeO₂块材的频谱特性
• 2块材'>4.5 Fe掺杂CeO₂块材
• 2块材的微结构表征'>4.5.1 Fe掺杂CeO₂块材的微结构表征
• 2块材的磁性'>4.5.2 Fe掺杂CeO₂块材的磁性
• 2块材'>4.6 Mn掺杂CeO₂块材
• 2块材的微结构表征'>4.6.1 Mn掺杂CeO₂块材的微结构表征
• 2块材的磁性'>4.6.2 Mn掺杂CeO₂块材的磁性
• 4.7 小结
• 2薄膜的制备及磁性能研究'>第五章 Co掺杂CeO₂薄膜的制备及磁性能研究
• 5.1 引言
• 1-xCo_xO_2-δ薄膜的制备方法'>5.2 Ce_1-xCo_xO_2-δ薄膜的制备方法
• 5.3 PLD法在Si基片上制备的薄膜
• 5.3.1 薄膜制备方法与工艺
• 5.3.2 薄膜的结构
• 5.3.3 薄膜的XPS分析
• 5.3.4 薄膜的微结构
• 5.3.5 薄膜的磁性能
• 5.3.6 影响薄膜磁性能的因素
• 2O₃（0001）基片上的择优取向薄膜'>5.4 Al₂O₃（0001）基片上的择优取向薄膜
• 5.4.1 薄膜的磁性能
• 5.4.2 薄膜的微结构表征
• 5.4.2.1 表面形貌表征
• 5.4.2.2 薄膜的面外取向
• 5.4.2.3 薄膜的面内取向
• 0.97Co_0.03O_2-δ薄膜'>5.5 磁控溅射制备的Ce_0.97Co_0.03O_2-δ薄膜
• 5.5.1 靶材中Co含量的确定
• 0.97Co_0.03O_2-δ薄膜'>5.5.2 Si基片上的Ce_0.97Co_0.03O_2-δ薄膜
• 5.5.2.1 薄膜的微结构表征
• 5.5.2.2 薄膜的磁性能测试
• 2O₃（0001）基片上的Ce_0.97Co_0.03O_2-δ薄膜'>5.5.3 Al₂O₃（0001）基片上的Ce_0.97Co_0.03O_2-δ薄膜
• 5.5.3.1 薄膜的微结构表征
• 5.5.3.2 薄膜的磁性能测试
• 3+对薄膜磁性能的影响'>5.5.3.3 掺Y³⁺对薄膜磁性能的影响
• +轰击对薄膜磁性能的影响'>5.5.3.4 Ar⁺轰击对薄膜磁性能的影响
• 5.6 电子束蒸发制备的薄膜
• 5.7 磁光系统的搭建和薄膜磁光性能测试
• 5.7.1 稀磁半导体的磁光效应
• 5.7.2 磁光Faraday效应测试平台的搭建
• 5.7.3 薄膜样品的Faraday效应测试
• 5.8 小结
• 0.97Co_0.03O_2-δ薄膜的自旋过滤效应'>第六章 Ce_0.97Co_0.03O_2-δ薄膜的自旋过滤效应
• 6.1 引言
• 6.2 自旋阀和隧道结磁阻效应的物理机制
• 6.3 稀磁半导体的自旋过滤效应及应用
• 6.3.1 自旋过滤效应的产生机制
• 6.3.2 自旋过滤效应的器件应用
• 6.3.3 双肖特基MTJ模型的提出
• 0.97Co_0.03O_2-δ/Co₅₀Fe₅₀三层膜结构单元的制作'>6.4 Ni/Ce_0.97Co_0.03O_2-δ/Co₅₀Fe₅₀三层膜结构单元的制作
• 0.97Co_0.03O_2-δ/Co₅₀Fe₅₀结的性能测试'>6.5 Ni/Ce_0.97Co_0.03O_2-δ/Co₅₀Fe₅₀结的性能测试
• 6.5.1 电性能测试
• 6.5.2 磁阻效应测试
• 6.6 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 主要结论与创新点
• 7.2 有待深入研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果