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自旋电子学利用电子的自旋和磁矩,使固体器件中除电荷输运外,还加入了电子的自旋和磁矩。磁性半导体是一种同时具备铁磁性和半导体特性的材料,为材料提供了一种新型的导电方式。铁氧体在电性上属于半导体范畴,在室温下发生自发磁化,是备受瞩目的磁性半导体之一。采用固相烧结的方法制备了不同Fe含量的Ga2-xFexO3样品,其室温下的稳定结构为菱方α相(1.6≤x≤2.0)、正交ε相(0.8≤x≤1.2)和单斜β相(0.0≤x≤0.4)。对于ε相样品,随着Fe含量增加,XRD图谱精修得到的晶格常数单调增加,而Raman峰位往低波数偏移,这和大离子半径的Fe3+离子取代小离子半径的Ga3+离子从而引起键长的增加有关。低温直流DC磁化率的测量表明样品铁磁到顺磁转变的居里温度Tc随着Fe含量的增加而单调上升,在Tc以下存在明显的自旋阻挫现象,交流AC磁化率的测量也证明了这一点。对于β相样品,紫外-可见光谱UV-Vis证明了Fe3+离子的电子跃迁导致了带隙Eg的减小。在DC和AC磁化率测量过程中发现,样品磁矩在低温下表现出顺磁行为,而相邻的Fe3+离子通过O2-离子形成反铁磁超交换作用。以ε相和β相作为前驱物,通过高温高压的方法合成了单一的α相(0.0≤x≤2.0)。Rietveld精修XRD图谱表明随着Fe含量的增加晶格参数单调上升,而拉曼激活模式则往低波数偏移。DSC的测量结果表明Fe含量的增加利于α相的稳定,而UV-Vis光谱得到的Eg则单调下降。测量低Fe含量(0.1≤x≤0.4)样品的低温DC和AC磁化率时发现,样品的Fe3+离子之间形成反铁磁超交换作用。随着Fe含量的继续增多(0.5≤x≤1.9),DC磁化率的测量表明样品的Tc单调上升,而AC磁化率虚部在低温下发现了随频率增加往高温方向移动的自旋冻结的峰Tf。在记忆效应的测量过程中,零场冷磁化曲线MZFC在等待温度处存在低谷的现象和场冷磁化曲线MFC在停留温度处的台阶上升行为,表明样品具有自恢复效应。α相在低温下表现出自旋玻璃的行为可能是由于Fe3+离子取代形成的阻挫效应和阳离子无序分布的随机效应造成的。通过高温液氮淬火的方法,制备了立方相的Ga3-1.5xFe1.5xO4(1.4≤x≤2.0)样品,真空退火的方法把合成立方相的Fe含量范围扩大到0.8≤x≤2.0。空气气氛的DSC测量结果表明,随着Fe含量降低,样品在高温下发生了复杂的结构相变,形成了具有单斜结构的中间产物,而高温原位XRD的结果也证实了这一点。低温直流磁化率的测量表明,对于不含Ga3+离子的淬火和退火样品都在~125 K发生了Verwey相变,而继续降温却给出了不同的磁学性质。对于相同成分不同方法制备的Ga3+离子取代样品(1.4≤x≤2.0)的磁性能却基本类似。交流磁化率的测量发现所有样品在低温下都存在随频率增加往高温方向移动的自旋冻结峰。临时冷却、变磁场的零场冷和场冷测量方法表明立方相样品在低温下有明显的弛豫现象和记忆效应。以酒精作为过程控制剂,通过湿法球磨成功的得到了纳米尺寸的立方相(1.4≤x≤2.0)、正交相(0.8≤x≤1.2)、菱方相(1.6≤x≤2.0)和单斜相(0.0≤x≤0.4)样品。而干磨的条件下,发现了正交相和单斜相往菱方相转变的现象。采用反相微乳液法合成Ga0.4Fe1.6O3样品,增加烧结温度,发现了γ相→ε相→α相的连续相变行为,这和晶粒尺寸的增大导致的样品的表面能、化学势的改变有关。球磨的纳米尺寸样品的变温磁化曲线M-T与块材类似,而磁滞回线M-H的测量则发现了低温下样品的剩磁Mr和矫顽力Hc有明显的提高。对于反相微乳液法制备的Ga0.4Fe1.6O3样品,在低温800℃烧结时,γ相样品表现出超顺磁行为,而1050℃和1300℃烧结的ε相和α相室温具有明显的铁磁现象。磁滞回线的测量表明随着温度的增加,三种结构样品矫顽力和剩磁都单调下降。