1111-型新型塊材稀磁半導(dǎo)體：(La1-yAEy)(Zn1-xMnx)AsO(AE=Ca,Sr,Ba)的制備和物性研究.pdf

1、在20世紀(jì)90年代，Ⅲ-Ⅴ族(Ga1-xMnx)As薄膜的成功制備把稀磁半導(dǎo)體的研究推向了高潮。但是在(Ga1-xMnx)As的研究中，科研人員遇到了很多困難。例如，在(Ga1-xMnx)As中，二價(jià)的Mn2+離子替代三價(jià)的Ga3+離子，它們的化學(xué)價(jià)不匹配，這使得Mn2+離子的固溶度受到了極大的限制，最高僅約1％。因此，(Ga1-xMnx)As很難被制備成塊材材料。另外，Mn2+在(Ga1-xMnx)As中同時(shí)提供載流子和自旋，使得載流

2、子和自旋的摻雜不可分離，從而無法單獨(dú)研究自旋和載流子濃度對鐵磁有序的影響。為了克服這些困難，科研人員探索并制備出了一系列由鐵基超導(dǎo)體衍生而來的新型稀磁半導(dǎo)體材料。這些塊材的新型稀磁半導(dǎo)體可以使用中子散射和核磁共振等微觀磁性測量手段來研究它們的磁性機(jī)制。同時(shí)，這些新型稀磁半導(dǎo)體還具有自旋和載流子可以被分別調(diào)控的特點(diǎn)，使得單獨(dú)研究載流子濃度或者自旋濃度對鐵磁性的影響成為可能。
　　本論文主要介紹了幾類新型稀磁半導(dǎo)體的制備和研究工作。首

3、先介紹的是1111-型稀磁半導(dǎo)體(La1-yAEy)(Zn1-xMnx)AsO(AE=Ca,Sr,Ba)的制備及其物性研究，包括晶格結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)以及載流子濃度對鐵磁有序的影響等；其次，介紹了在x≤5%的低摻雜區(qū)域，對(La1-xBax)(Zn1-xMnx)AsO的磁性研究工作；然后介紹了Li1.15(Zn0.9Mn0.1)P的7Li核磁共振研究結(jié)果；最后介紹了一些關(guān)于其他稀磁半導(dǎo)體材料的探索工作。
　　我們通過在LaZ

4、nAsO的La3+位摻雜堿土離子Ca2+、Sr2+、Ba2+，在Zn2+位摻雜磁性離子Mn2+，成功制備出了稀磁半導(dǎo)體(La1-yAEy)(Zn1-xMnx)AsO(AE=Ca,Sr,Ba)，它是第一個被報(bào)道的由鐵基超導(dǎo)體衍生的1111-型塊材稀磁半導(dǎo)體。同時(shí)，它具有自旋和載流子摻雜相分離的特點(diǎn)。通過X射線衍射測量，我們證明在(La1-yAEy)(Zn1-xMnx)AsO(AE=Ca,Sr,Ba)中，堿土離子和錳離子的摻雜是有效的。電阻

5、測量結(jié)果顯示，如果僅在La位摻雜少量的Sr，樣品的導(dǎo)電性會從半導(dǎo)體性轉(zhuǎn)變成金屬性；但是只要在Zn位摻雜了Mn，樣品的導(dǎo)電性就會受到抑制，表現(xiàn)出半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)，這表明局域磁矩對載流子有著束縛或散射作用。通過磁性測量，我們發(fā)現(xiàn)只有Mn摻雜的La(Zn0.9Mn0.1)AsO在低溫下不存在鐵磁轉(zhuǎn)變，只有同時(shí)在La位摻雜了堿土元素，樣品才會在低溫下進(jìn)入鐵磁有序態(tài)。由于(La1-yAEy)(Zn1-xMnx)AsO(AE=Ca,Sr,Ba)具有

6、自旋和載流子摻雜相分離的特點(diǎn)，我們固定Mn的摻雜量，研究了載流子濃度對鐵磁有序的影響。研究結(jié)果表明，載流子并不是越多越好，過多的載流子會抑制鐵磁有序，只有載流子和自旋的濃度相當(dāng)，樣品才具有最高的居里轉(zhuǎn)變溫度。通過零場和縱場條件下的μSR測量得到的靜態(tài)自旋凍結(jié)溫度和由SQUID測量得到的靜態(tài)自旋凍結(jié)溫度一致。通過橫場條件下的μSR測量得到的磁有序體積分?jǐn)?shù)在低溫時(shí)達(dá)到100%，這表明(La1-yAEy)(Zn1-xMnx)AsO(AE=Ca

7、,Sr,Ba)的磁性是本征的。μSR測量結(jié)果還顯示，它們的內(nèi)部磁場與鐵磁轉(zhuǎn)變溫度TC的關(guān)系落在測量(Ga1-xMnx)As而得到的線性關(guān)系上，這表明它們具有相同的磁性起源機(jī)制。中子散射的結(jié)果則表明，該體系不存在低溫結(jié)構(gòu)相變。
　　因?yàn)?Li原子的核自旋為32，具有相對簡單的磁共振峰，我們用核磁共振研究了Li1.15(Zn0.9Mn0.1)P的微觀磁性。通過核磁共振測量得到的奈特位移和通過SQUID測量得到的磁化率具有相同的溫度依賴

8、關(guān)系，這說明Li1.15(Zn0.9Mn0.1)P的鐵磁有序體積比達(dá)到100%。在Li1.15(Zn0.9Mn0.1)P的7Li核磁共振研究結(jié)果中，Li(Mn)峰（Li的最近鄰位置有Mn原子存在）和Li(0)峰（Li的最近鄰位置沒有Mn原子存在）的自旋-晶格弛豫率1T1均在TC附近出現(xiàn)跳變，并在TC以下隨溫度下降而減小。這是第一次同時(shí)觀測到了巡游傳導(dǎo)電子行為和Mn的d電子自旋漲落行為，說明了巡游電子對自旋具有調(diào)制作用。在TC以上，Li(

9、Mn)峰的1T1幾乎與溫度無關(guān)，是一個常數(shù)：1/T1～400s-1，這表明，錳離子在整個晶格中都存在大小約為100K的自旋-自旋相互作用。在TC以上，Li(0)峰的1/T1與溫度呈線性關(guān)系：1/T1-α+bT，這說明，Li(0)峰受到Mn自旋漲落和Korringaprocess兩種弛豫機(jī)制的影響。
　　關(guān)于稀磁半導(dǎo)體的磁性起源機(jī)制，在理論上存在很多爭議。為了進(jìn)一步研究1111-型稀磁半導(dǎo)體的磁性起源機(jī)制，我們制備并研究了低摻雜區(qū)域

10、的(La1-xBax)(Zn1-xMnx)AsO，測量其磁化強(qiáng)度和溫度的關(guān)系，并對其進(jìn)行理論擬合。當(dāng)摻雜濃度低于2%時(shí)，它的磁化強(qiáng)度在整個溫度區(qū)間呈現(xiàn)為順磁性。當(dāng)摻雜濃度達(dá)到2%時(shí)，在場冷和零場冷的條件下測得的磁化強(qiáng)度在低溫下出現(xiàn)了劈裂，這說明材料在低溫下處于磁有序態(tài)。在高溫區(qū)域，我們對磁化率和溫度的關(guān)系進(jìn)行了居里-外斯擬合，并利用擬合參數(shù)估算出樣品的平均交換作用能(J)。在x≤2%的區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)為反鐵磁耦合，平均交換作用能J～19.1

11、K，這與Ⅱ-Ⅵ族稀磁半導(dǎo)體的交換作用能在一個數(shù)量級上。在x≥3%的區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)為鐵磁耦合，平均交換作用能為142.5K，它與我們用核磁共振測量Li1.15(Zn0.9Mn0.1)P而得到的平均交換作用能的數(shù)量級一致。在低溫部分，我們用random-exchange交換作用模型M=Tα擬合了x≤2%的樣品的磁化率曲線。當(dāng)x=0.5%時(shí)，α=-0.91，接近-1，這說明(La0.995Ba0.005)(Zn0.995Mn0.005)AsO的

12、磁性符合居里定律，它的基態(tài)是完全順磁態(tài)。隨著摻雜濃度的增大，α的數(shù)值逐漸偏離-1，這表明材料的基態(tài)隨著摻雜濃度的提高，逐漸偏離了順磁態(tài)。
　　本文最后介紹了我們對一些其他稀磁半導(dǎo)體材料的探索工作。通過在La位摻雜Ba，在Cu位摻雜Mn，我們制備出鐵磁轉(zhuǎn)變溫度約為170K的(La1-xBax)(Cu0.95Mn0.05)SO。把LaCuSO的LaO層換成BaF層可以得到帶隙為3.2eV的半導(dǎo)體SrFCuS。通過在Cu位摻雜Mn來引進(jìn)