Mn掺杂SnO2中铁磁耦合机理研究

论文摘要

稀磁半导体由于在自旋电子学领域具有潜在的应用价值,受到人们广泛地关注。而稀磁半导体中铁磁性的来源一直是困扰人们的问题,其中晶体缺陷及载流子是影响稀磁半导体铁磁性的两个主要因素。本论文主要研究了载流子对Mn掺杂SnO2稀磁半导体铁磁性的影响,主要工作概括如下:利用固相反应法制备了Sn1-xMnxO2 （x = 0.01, 0.03, 0.05）,Sn1-x-yMnxSbyO2 （x = 0.01, 0.03; y = 0, 0.005, 0.02, 0.04）和Sn1-x-zMnxCuzO2 （x = 0.01, 0.03, 0.05; z = 0.005, 0.02）多晶样品。利用X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和物理性质测试系统（PPMS）对样品的结构、价态、电输运性质和磁性质进行了系统的研究。多晶Sn1-x-yMnxSbyO2系列样品呈现出单一金红石结构,没有杂相生成,随着Sb含量的增加,晶胞体积增大,铁磁性减弱。对于x = 0.03的样品,居里温度由未掺杂Sb （y = 0）时的27 K减小到26.5 K （y = 0.005）,当掺杂量y≥0.02时,样品表现出顺磁性。而Sb的掺杂量为y = 0.04时,由于样品中Sb5+离子代替SnO2中Sn4+离子而产生大量电子,导致样品导电性显著增强。为进一步研究空穴在铁磁耦合中的作用,我们在Sn1-xMnxO2中共掺杂Cu元素。电输运测量表明所有Sn1-x-zMnxCuzO2样品在室温均为绝缘体,而随着Cu含量的增加样品的铁磁性呈现出增强趋势:对于x = 0.03系列样品,少量Cu掺杂（z = 0.005）时居里温度上升到30.5 K;随着Cu含量进一步增加到2 %时,居里温度增加到40.0 K。上述Sb和Cu掺杂Sn1-xMnxO2中的磁性可以用束缚磁极化子模型解释:在Sn1-xMnxO2样品中,Mn3+代替样品中Sn4+离子产生局域化的空穴,周围的Mn3+以局域化的空穴为中心形成束缚磁极化子,极化子间有效半径发生交叠产生铁磁相互作用。当体系中掺入Sb后,Sb5+代替Sn4+产生自由电子补偿掉样品中局域化的空穴,减少了样品中束缚磁极化子数目,导致铁磁性减弱。而当体系中掺入Cu后,Cu2+代替SnO2晶格中Sn4+产生新的局域化空穴,增多的空穴与邻近的Mn3+离子形成新的束缚磁极化子,从而使样品的铁磁性增强。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景介绍
• 2'>1.1.1 Co-TiO₂
• 1.1.2 Co-ZnO
• 1.2 研究热点及现象
• 1.2.1 晶体缺陷对稀磁半导体磁性的影响
• 1.2.2 载流子对稀磁半导体磁性的影响
• 1.3 理论模型
• 1.3.1 Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida （RKKY） 交换作用
• 1.3.2 双交换作用（Double Exchange）
• 1.3.3 束缚磁极化子（Bound Magnetic Polaron） 模型
• 1.4 本论文选题思路及研究内容
• 第二章 样品的制备和表征
• 2.1 实验方法
• 2.2 样品的表征手段
• 2.2.1 X 射线衍射
• 2.2.2 X 射线光电子能谱
• 2.2.3 磁、电性质测量
• 1-x-yMn_xSb_yO₂ 样品结构和物性的影响'>第三章 Sb 掺杂对 Sn_1-x-yMn_xSb_yO₂样品结构和物性的影响
• 1-xMn_xO₂'>3.1 Sn_1-xMn_xO₂
• 1-xMn_xO₂ 的结构'>3.1.1 Sn_1-xMn_xO₂的结构
• 1-xMn_xO₂ 的磁性'>3.1.2 Sn_1-xMn_xO₂的磁性
• 1-x-yMnxSb_yO2'>3.2 Sn_1-x-yMnxSb_yO2
• 1-x-yMn_xSb_yO₂ 的结构'>3.2.1 Sn_1-x-yMn_xSb_yO₂的结构
• 3.2.2 X 射线光电子能谱分析
• 1-x-yMn_xSb_yO₂ 的电输运性质'>3.2.3 Sn_1-x-yMn_xSb_yO₂的电输运性质
• 1-x-yMn_xSb_yO₂ 的磁性'>3.2.4 Sn_1-x-yMn_xSb_yO₂的磁性
• 1-x-yMn_xSb_yO₂ 磁性来源的讨论'>3.2.5 Sn_1-x-yMn_xSb_yO₂磁性来源的讨论
• 3.3 本章小结
• 1-x-zMn_xCu₂O₂ 样品结构和物性的影响'>第四章 Cu 掺杂对 Sn_1-x-zMn_xCu₂O₂样品结构和物性的影响
• 1-x-zMn_xCu₂O₂ 的结构'>4.1 Sn_1-x-zMn_xCu₂O₂的结构
• 4.2 X 射线光电子能谱分析
• 1-x-zMn_xCu₂O₂ 的磁性'>4.3 Sn_1-x-zMn_xCu₂O₂的磁性
• 1-x-zMn_xCu₂O₂ 磁性来源的讨论'>4.4 Sn_1-x-zMn_xCu₂O₂磁性来源的讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间完成的学术论文
• 致谢