稀释磁性半导体Sn1-xMnxO2的室温铁磁性

采用固相反应法， 制备了不同成分的稀释磁性半导体 + （!0% ， ， ） 利用 4射线衍射和傅 , , / 1 % " % 1 % $ % 1 % 2 3 ! -!. ! " 里叶变换红外光谱法证明了锰均匀地掺杂到二氧化锡中3 在室温下研究了掺锰二氧化锡基稀释半导体的磁性， 发现 它具有明显的铁磁性， 同时对磁性的强弱与锰的含量和烧结温度的关系作了研究3
磁滞回线 （已扣除顺磁和抗磁贡献） ， 锰含量 !& ’ ( ’ $ 的样品饱和磁化强度和矫顽场分 别 为 ’ ／ ( ’ + 0 9 / : ; （将 饱 和 磁 化 强 度 折 换 成 单 个 锰 原 子 的 磁 矩 为 ， ／ 而锰含量为 ’ ( ’ + 1 5 , = /， !， !< 为 玻 尔 磁 子 ） ， ／ ’ ( ’ 5 ’ ( ’ )的样品对应的值各自为’ ( ’ ’ , 1 9 / : ; ， ／ ／ （ ， （ , 0 1 = / 和’ ( ’ ’ , 9 / : ’ ( ’ ’ $ ’ ( ’ ’ $ ; !<） !<） ／ 内部图为 2 4 . # ) 5 $ $ = /% . ’ % 8 1 ’ % ’ $ $ 稀释半导体放大 的磁滞回线， 其表现出一个非常完好的磁滞回线， 说 明在室温下， 样品明显呈现铁磁有序% 从以上数据， 我 们可以得到随着 4 ， 样品 .浓度从’ ( ’ $增大到’ ( ’ )
" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "
稀释磁性半导体 ! 的室温铁磁性 ! " " & # $ !% ! ’
） " # 刘兴 匡安龙!） ） "
路忠林"） 任尚坤"） 刘存业!） 张凤鸣"） 都有为"）
） ! （西南师范大学物理系，重庆
） $ % % & ! ’
） " （南京大学固体微结构国家重点实验室，南京
） " ! % % ( ) （ " % % $年&月(日收到； " % % $年 ! !月*日收到修改稿）
" 1实
验
将一定摩尔比的二氧化锰 （纯度大于 ( 和 ( 1 ( K） 二氧化锡 （纯度大于 ( 放在研钵中充分研磨 $ ( 1 ( K） 个小时， 使它们均匀混合； 然后在) % . 5 :的压强下将 它们压成直径为! 厚度为 ! 最后 % 9 9， 9 9 的薄圆片； 将 这 些 薄 圆 片 在 空 气 中， 分别在 ’ ’ % L， & ’ % L和 ， 然后让它们自然冷却到室温3 * ’ % L条件下烧结! " M 样品的结构表征采用 4 射线衍射 （N O P， ) % = E F， ） ， 样品中锰的含量是否均匀利用傅里叶变换红 G > J & 外光 谱 （I ， 美国 S ， Q R O， S 6 N T + * & % R G / U 6 I 公 司） 磁学 性 质 研 究 利 用 超 导 量 子 相 干 磁 强 计 （+ V T R P， ， ） . 5 . + & V > : , W > 9P E @ ; , 3 ?
) 1结果与讨论
从图!我们明显地看到一直到锰含量为% 1 % 2
! 国家重点基础研究发展规范项目 #
“纳米材料和纳米结构” （7 ） 和国家自然科学基金项目 （ ） ( & ) ! ( ( ( % 2 ’ % * ! % ) & $ % $ $ 3
： 6 8 9 : ; < = > : , : < ! @ ; , : 3 A B 9 ? 万方数据
［ ］ Q ， . % : 0 ; ? ; > ; ; 2 Y ; 2D， < 0 R A > ?M= * [ 0 > R 0 > M R 0 > $ A E : U 3( X， @7 ， G 0 A > E ; $#B 7 : 2#D IA $ ?O H Y N ; $CI) % % ). 0) 3 & 4) C， /
换红外光谱的结果也反映了锰均匀地分布在二氧化 锡中% 图 0 为烧结温度 ’ 7 的样品在室温下测得的
图0 烧结温度为（!&’ — ） 样品 ’ 7的 2 . . # % ’ $ ’ % ’ ) + 3!4 ! $ 在室温下测得的磁滞回线% 内部图为 !&’ % ’ $ 的样品的放大的 磁滞回线 图+ 稀释磁性半导体 2 （!& ， ， ） . . # ’ % ’ $ ’ % ’ 5 ’ % ’ ) 6射 + 3!4 ! $ 线衍射曲线
［) ］ ［ ］ ! $ 和G 取得了很大进展， B E , / / : < E! H 分别在 + ? "掺 ， G B I E薄膜中发现了巨磁矩和高于2 % % J的 ［ ］ ! " 基稀释磁性半导体， 是由于 化锡 ［ — ］ " * 和 ［ ， ］ ( ! % 族混合半导体， 主要原因是过渡
掺锰二氧化锡稀释半导体中观察到的室温铁磁性3
1 & 2 2) " $# * ) ! * ( ［ ］ 6 （ ） . . ; $ & 2 6 ,) % % "* $ 2 6. 0) # % ’) % (! ( ! * H $7 : H $ 0 N 0 3K# / ［孔月婵等 ) ］ % % " 物理学报 % (! ( ! *
)期
匡安龙等： 稀释磁性半导体 2 . . # + 3!4 ! $ 的室温铁磁性
$ 8 0 -
的样品 都 具 有 金 红 石 晶 体 结 构 （类 似 ! 晶体结 " # $ 构） ， 与纯二氧化锡的结构相同， 说明锰掺进二氧化锡 中并没有破坏二氧化锡晶体结构% 锰含量从 !& ’增 轴晶格长度 （从 峰 位 # 加到 ’ ， 所有样品的 " * ( ’ ) （+ + +）算 出 ）对 应 为 ’ ( , + ’ $ . /， ’ ( , + $ 0 1 . /，
［ ］ . + ， 也是一种长程 交换作用应为载流子浓度的函数
偶合作用! 下一步工作我们将定量分析载流子浓度与 交换作用的关系!
" -结
论
采用固相反应法， 我们制备了 # （ $ $ . 8!( !* ) !5 ， ， ） 块体! 在室温下， 我们在样品中观察 % % ) % % " % % 9 到了明显的铁磁性， 铁磁性强弱与样品中锰的含量以
我们 可以看到随着锰 含 量 ’ ( , + 5 5 , . /， ’ ( , + ) 8 . /% 轴晶格长度也增大， 这是由于锰离子 增大， 样品的 " * 的半径比锡离子的半径大， 替代锡离子后就导致晶格 扩大% 图$为在 2 4 . # . ’ % 8 1 ’ % ’ $ $ 圆片上三个不同位置 测得的傅里叶变换红外光谱， 从谱线中我们可以看到 锰的峰位基本一致， 其中+谱线与其他两条谱线不完 全重合， 可能是此次测量在样品上的探测面积与后面 两次不同造成的% 红外光谱说明锰在这个样品中分布 得比较均匀% 其它样品测得的傅里叶变
相变， 温度继续升高直到 / 磁化强度变化缓慢， % % 6， 仍存在磁化强度， 说明该样品的居里温度 （"7） 接近 这也验证了前面在室温下观察到的铁磁性! / % % 6， 为了探究在样品中观察到的铁磁性的来源， 我们 首先排除可能的第二相对铁磁性的贡献! 在室 # $ * ) 在" 温下为抗磁性， 锰的氧化物除了 ( * ) 6 以下 $ " / 为铁磁性， 其它都为反铁磁性， 所以磁性的来源不可 能来自 ( 同样金属 ( $的氧化物! $ 在室温也为反铁 磁性， 磁性也不可能来自于它! 因此我们认为观察到 的铁磁性来源于以载流子为媒介的 ( $ 自旋之间的 间接交换作用! 这种间接交换作用应包括最近邻格 点， 次近邻格点， 还有更远格点的作用， 而且这种间接
稀释磁性半导体是指微量的磁性离子掺杂到半 导体中， 它既具备半导体性质， 又具有瞬时铁磁有序， 因此稀释磁性半导体被认为是最有希望的材料用来 制作 自 旋 电 子 器 件， 磁 光 器 具3 自从在 . ,掺杂 ［ ］ 7 : C @! 稀释半导体中发 现 载 流 子 引 起 的 铁 磁 性 以 来， 稀释磁性半导体受到了人们的广泛注意3 近年来， 人们 研 究 得 最 多 的 是 ) " 过渡族金属搀杂到 " D $ D % # ［! ］ 金属在 " 族半导体中固溶度比较大， D #和$ D %! 载流子浓度容易控制3 最近， 人们更感兴趣的是二氧 + , / " 具有许多优 异的性质， 例如： 二氧化锡是一种宽禁带 （) 透 1 2 E F） 明半导体， 它可用来做透明薄膜， 而且具有很大的有 和载流子浓度， 效质量 （ #E， #E 为电子有效质量） % 1 ) 这些对于借助于载流子引起的交换作用具有很重要 的作用， 因此 + , / " 是一种很完美的用来制作自旋电 子和光电子器件的材料3 但是， 稀释半导体要在实际 和较大的 中应用起来必须具备较高的居里温度 （$G） 饱和磁化强度3 经过多年的努力， 人们在这两方面已