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        物理所等高壓制備出具有高自旋有序溫度的發(fā)光磁性半導體

        發(fā)布時(shí)間:2020-12-02    欄目行業(yè):行業(yè)新聞    瀏覽次數:

        磁性半導體具有特殊的磁電和磁光性質(zhì),是先進(jìn)多功能自旋電子器件的重要候選材料。然而,大多數磁性半導體 - 譬如磁性離子摻雜的稀磁半導體以及EuO、CdCr2S4等非摻雜的本征鐵磁半導體 - 均具有遠低于室溫的磁有序溫度,大大限制了這類(lèi)材料的潛在應用。因而,如何制備具有室溫以上磁有序溫度且磁、光、電等多種功能屬性耦合在一起的磁性半導體材料是極具挑戰的研究方向。

        中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室M08組龍有文研究員團隊在高壓制備的簡(jiǎn)立方鈣鈦礦SrCr0.5Fe0.5O2.875(SCFO)中,發(fā)現了臨界溫度高達600 K的磁有序相變,該體系具有約2.3 eV的直接半導體帶隙,并展示了磁場(chǎng)可調的綠色發(fā)光效應。

        發(fā)光磁性半導體.png

        SrCrO3與SrFeO3是兩個(gè)已知的反鐵磁金屬材料,均具有簡(jiǎn)立方鈣鈦礦結構,理論計算表明在布里淵區的一些高對稱(chēng)點(diǎn)形成了空穴型的導電費米袋能帶結構,而費米面附近主要由氧的2p軌道占據。因此,在這些體系中引入氧空位有望調控載流子濃度以及能帶結構,從而實(shí)現金屬到半導體/絕緣體的轉變。利用高壓高溫實(shí)驗條件,M08課題組率先制備了等摩爾Cr/Fe固溶比例的氧空位材料SrCr0.5Fe0.5O2.875。結構分析表明該材料同樣結晶為簡(jiǎn)單立方鈣鈦礦(空間群:Pm-3m),且Cr與Fe在B位是完全無(wú)序分布的,由于氧空位的引入,其晶格常數相比SrCrO3和SrFeO3略有增大?;谕捷椛鋁射線(xiàn)吸收譜,Fe的化合價(jià)態(tài)被確定為單一的Fe3+態(tài),而Cr具有平均的Cr4.5+態(tài),該混合價(jià)態(tài)由3:1的Cr4+與Cr6+組成。雖然等化學(xué)劑量比的母體相SrCrO3和SrFeO3均具有較低的磁有序溫度(< 140 K),但氧缺位的SCFO卻在高達600 K的臨界溫度展示出鐵磁類(lèi)似的相變;進(jìn)一步磁滯回線(xiàn)展現了幾乎不隨溫度變化的矯頑力場(chǎng)(約0.2 T)。因高場(chǎng)下未飽和的磁化強度以及較小的剩余磁化,材料的磁相變被確定為由Fe3+-O-Fe3+超交換作用導致的反鐵磁有序,其弱鐵磁性源自Fe3+自旋的傾斜及可能的Fe3+-O-Cr4+鐵磁超交換作用。SCFO的電阻-溫度關(guān)系遵循三維Mott變程跳躍模型,且紫外-可見(jiàn)光區域的反射譜在545.5 nm附近出現尖銳的吸收峰,吸收系數與能量的關(guān)系符合Tauc和Davis-Mott模型的直接躍遷關(guān)系,并擬合得到直接帶隙約為2.3 eV。這些結果表明SCFO具有鮮明的直接帶隙半導體特征,且能隙在可見(jiàn)光范圍,預示存在可能的發(fā)光效應。實(shí)驗上,通過(guò)利用藍光作為激發(fā)光源,研究團隊發(fā)現了SCFO在較大波長(cháng)范圍內的綠色發(fā)光現象,并根據光譜特征推斷其發(fā)光效應主要來(lái)源于d-p成鍵態(tài)與反鍵態(tài)的帶間躍遷。由此可見(jiàn),3d過(guò)渡金屬離子不僅參與磁有序,同時(shí)也具有光致發(fā)光效應。因而,通過(guò)外加磁場(chǎng),可在一定程度上實(shí)現材料發(fā)光強度的調控。相比目前廣泛研究的非磁性有機-無(wú)機雜化鹵素鈣鈦礦發(fā)光材料,高壓制備的SCFO具有很好的環(huán)境穩定性(耐潮、耐酸、耐堿、耐高溫等)以及遠高于室溫的磁有序,其高溫弱鐵磁性與發(fā)光效應的耦合有望開(kāi)拓室溫磁性發(fā)光材料研究的新方向。

        相關(guān)研究結果發(fā)表在近期的NPG Asia Materials上(12:69, 2020),并且被選為“Featured Article”,以“Semiconductors: Maintaining magnetism at high temperature”為主題進(jìn)行重點(diǎn)推薦。本研究工作合作者包括南京理工大學(xué)李志教授,中科院強磁場(chǎng)實(shí)驗室盛志高研究員,中科院物理所禹日成研究員、邱祥岡研究員、孟慶波研究員等。該工作獲得了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院等項目的支持。


        本文來(lái)源于:中國科學(xué)院物理研究所

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