过渡族元素掺杂二氧化铈稀磁半导体的铁磁性起源及相关性能研究

稀磁半导体(DMS)是实现自旋电子器件的材料基础，尤其是具有室温铁磁性的DMS，借助这种材料可实现室温下的自旋过滤，使自旋电子器件的实用化成为可能。本项目从材料设计入手，选择多种过渡元素(V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)掺杂的宽禁带氧化物CeO2体系为研究对象，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，从理论上分析其铁磁性交换机制和起源问题，并在理论的指导下，采用平衡(固相烧结)和非平衡(磁控溅射、脉冲激光沉积)等方法制备不同掺杂体系、不同浓度和共掺杂的Ce02基DMS薄膜和块材。制备中通过改变工艺条件、后处理退火等手段，对样品进行磁性测试、微结构表征，辅助XPS、Raman光谱和椭偏光谱等测试来研究对材料的室温铁磁性的影响。得到具有室温铁磁性的块材和薄膜样品。最后制备基于稀磁性氧化物薄膜的自旋过滤器件原型，测试其磁电性能，并探索Ce02基DMS在自旋相关器件中的应用。

稀磁半导体(DMS)是实现自旋电子器件的材料基础，尤其是具有室温铁磁性的DMS，借助这种材料可实现室温下的自旋过滤，使自旋电子器件的实用化成为可能。本项目在理论上，对过渡元素(Mn、Co)掺杂的宽禁带氧化物CeO2体系进行了理论探讨。基于第一性原理，采用Material Studio计算了纯CeO2以及引入氧空位Vo、Mn、Co掺杂的CeO2稀磁半导体体系的电子结构、能带结构和态密度，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。在实验上，开展了过渡元素Mn、Fe、Co、Ni、Cu以及Zn掺杂CeO2体系的研究；对共掺杂（如Y、Co共掺、Zn、Co共掺和Cu、Mn共掺等）CeO2体系进行了研究；对非磁性离子（如Ca和Cr）掺杂CeO2体系也进行了探讨。我们主要采用固相烧结法、溶胶凝胶法和磁控溅射法制备不同掺杂CeO2体系的陶瓷、薄膜和纳米颗粒样品，并对样品进行磁性测试、微结构表征，SEM、Raman光谱、PL谱、透射谱和椭偏光谱等测试来研究掺杂CeO2体系的各项性能。研究发现掺杂CeO2体系的室温铁磁性是一个普遍现象，但样品制备方法、制备工艺和后处理退火等对掺杂CeO2体系的室温铁磁性具有较大的影响。如Co掺杂CeO2体系（Ce0.97Co0.03O2薄膜）的室温铁磁性随着退火温度的升高，其饱和磁化强度和矫顽力均增大。不同制备方法（如溶胶凝胶法和磁控溅射法）制备的相同掺杂CeO2体系，其铁磁性能也有较大差别。我们首次用激光烧蚀液相法成功制备了不同Mn和Co掺杂浓度的CeO2纳米颗粒，并在3%Co掺杂CeO2纳米颗粒观测到饱和磁化强度高达6.22 μB/Co的室温铁磁性。掺杂CeO2体系的铁磁性的来源问题，仍然难以有定论，需要进一步探索。此外，在项目执行过程中，还开展了一些原计划没有列入的研究工作，如：针对多铁材料铁酸铋进行的探索性研究；针对光谱调控的稀土掺杂钆/镥基发光材料的可控合成与能量传递机理研究，也已有多篇论文发表，目前研究都进展顺利。