铜氧化物材料的结构、磁性与磁输运性质研究

The origin of ferromagnetism and spin dependent transport properties of 3d transition metal doped copper oxide semiconductors are still elusive issue. This project based on the former works in our group is to develop the sample preparation technique to detect the mechanism of the origin of magnetism of copper oxides doping with high moment 3d transition metals. The experimental works can be divided into two parts. Firstly, we fabricate ferromagnetic copper oxide semiconductors via doping 3d transition metal using PECVD, magnetron sputtering, Sol-Gel, etc, to synthesize the doped copper oxides. Structural and physics properties will be characterized to obtain the effect on the ferromagnetism of copper oxide semiconductors. Secondly, we realign the band structure with the gate voltage application. The spin dependent properties of carriers are discussed based on the magnetic and electric transport properties. According to the experimental results above, our work is to explain the origin of ferromagnetism in 3d transition metal doped copper oxide semiconductors based on the investigation of ferromagnetism, electric transport properties and magnetic transport properties.

3d过渡族金属掺杂的铜氧化物半导体的磁性来源以及其中的自旋相关的输运一直是国际上关注的问题。本项目拟通过改善掺杂技术实现不同浓度的磁性掺杂,利用外场诱导方法研究其磁性产生的物理机制。利用磁控溅射、PECVD、Sol-Gel方法等获得CuO掺杂高自旋的过渡金属元素的薄膜样品，研究生长方法、生长参数、热处理工艺等对薄膜质量、掺杂效果的关联；调控铜氧化物半导体的结构、磁性、载流子、缺陷态密度和分布，分析铜氧化物的结构、掺杂、载流子的系统性变化对于其磁性的影响；发展热扩散技术，实现对CuO单晶的过渡金属掺杂；通过施加的门电压的方法，调节铜氧化物能带相对位置，测量铁磁性铜氧化物的磁输运性质，并且结合电输运性质的测量，研究铜氧化物中载流子的自旋相关性质。以此为基础，对比铜氧化物的磁性、电输运性质和磁输运性质，结合理论模型，分析3d过渡族金属掺杂的铜氧化物的铁磁性的来源。

本项目针对3d过渡族金属掺杂的铜氧化物半导体的磁性来源以及其中的自旋相关的输运展开工作，并对拓扑绝缘体材料的输运性质进行一些的探索性的研究，并取得了些创新型的成果：. 首先，我们利用溶胶凝胶法制备了 Cu1-xMnxO(x=0.0, 0.06, 0.1, 0.2)多晶样品。并证明Mn 原子可以替代CuO 晶格中Cu原子形成Cu1-xMnxO 化合物。随着 Mn 掺杂浓度增加，样品铁磁性增强，单个 Mn原子的磁矩 1.94 µB/atom 增加到 2.66 µB/atom再变大到2.77 µB/atom，铁磁居里温度也随之升高，达到 82.3K。掺杂样品仍表现为绝 缘，而带隙随掺杂浓度增加而减小。实验证实低掺杂浓度的 Cu1-xMnxO 体系中，铁磁性起源于束缚磁极子。利用N2气氛条件退火改变 Cu0.94Mn0.06O和 Cu0.8Mn0.2O样品载流子研究载流子浓度的影响。实验表明 N2退火有效的降低了 Cu1-xMnxO 中的载流子浓度，样品的磁性和居里温度都随着载流子浓度减小而减小，进一步支持了Cu1-xMnxO中的磁性来源于束缚磁极子的形成，并且预期了可以通过增加 Cu1-xMnxO 样品中的载流子浓度来增加样品的磁性和居里温度。. 另外在我们对于拓扑绝缘体的研究也获得了一定结果。我们通过对四元拓扑绝缘体的研究发现，对于Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2无论是在结构信息还是输运性质上都是一个很特殊的组分，各组分物理性质和晶体结构也是彼此相关。我们同样也发现了四元拓扑绝缘体Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2霍尔电阻呈现非线性，利用多通道模型，我们将总电导分离为三部分：表面态，杂质能带和体相电导贡献。从而得到三个导电通道载流子浓度和迁移率随着温度变化的关系。最后我们也研究了BSTS纳米片的输运性质，并且发现其磁电阻在零场附近存在一个尖峰，以及无周期磁电阻震荡。零场尖峰一般被认为是弱反局域化所导致的，而震荡由于其具有可重复性，并且震荡幅度也随着温度的升高而减弱，因此可以认为该震荡的来源是普世电导涨落。通过分析我们可以发现无论是弱反局域化还是普世电导涨落都具有二维输运的特征。