【摘 要】
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In2O3因其所具有的良好光学和电学性能而被广泛应用。近年来,有研究表明高温真空退火后非掺杂的In2O3薄膜及较高衬底温度下制备的掺钼In2O3(IMO)薄膜均表现出室温铁磁性,In2O3基半导体有关室温铁磁性研究的报道使兼具半导体性质和磁学性质的In2O3材料再次引发了研究者的极大关注,特别是对其磁性的起源仍存在着很大争议。此外,关于含本征缺陷体系的光学性质未见较为系统的计算分析。本文以第一性原
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In2O3因其所具有的良好光学和电学性能而被广泛应用。近年来,有研究表明高温真空退火后非掺杂的In2O3薄膜及较高衬底温度下制备的掺钼In2O3(IMO)薄膜均表现出室温铁磁性,In2O3基半导体有关室温铁磁性研究的报道使兼具半导体性质和磁学性质的In2O3材料再次引发了研究者的极大关注,特别是对其磁性的起源仍存在着很大争议。此外,关于含本征缺陷体系的光学性质未见较为系统的计算分析。本文以第一性原理计算为主,辅之以实验,对In2O3和IMO的光学和磁学性质进行了研究。首先通过第一性原理计算含本征点缺陷In2O3和不同掺杂浓度IMO的光学性质。计算结果表明:在In2O3体系中引入不同点缺陷,除含Oi体系外,存在Vo、VIn和Ini缺陷的体系在可见光能量范围内均出现了不同强度的新吸收峰,说明本征缺陷将影响In2O3的可见光透明度;与未掺杂In2O3相比,掺杂Mo之后在低能区产生新的吸收峰,光学吸收边红移。其次,采用磁控溅射法在不同氩氧气体组分下沉积In2O3薄膜,光学带隙随氧气含量增加先减小后增大,在An:O2=5:2时带隙最小为3.847eV;将沉积的薄膜在空气中退火,随退火温度升高,氧空位减少,带隙由3.802eV减小到3.645eV。测试结果表明,制备条件将影响沉积样品中缺陷进而影响薄膜的光学性能,这与理论计算结果吻合。采用磁控共溅射法制备不同掺杂浓度的IMO薄膜,掺杂引入自由载流子,载流子浓度增加,与未掺杂相比带隙增大。然后,利用VASP计算了不同电荷态本征缺陷对In2O3电子结构和磁性的影响。计算结果表明:VO+、VIn0、VIn1-、VIN2-、Oi和VIn+Vo缺陷都可引入自发极化磁矩。进一步磁耦合研究表明,非掺杂In2O3的铁磁性可能来源于VIn1-、VIn2-、Oi和VIn+Vo复合缺陷。最后,计算了 IMO体系的磁性及中性本征缺陷和应变对磁性的影响。随掺杂浓度增加,体系磁性增强;掺杂Mo原子相对距离增大,磁化能从56.9meV减小到6.21meV,体系均表现为铁磁基态,说明IMO体系趋于最近邻铁磁耦合;最近邻位置构型分别引入Vo、Oi、VIn和 Ini,磁化能分别为 107.29meV、2.21meV、0.24meV 和-703.72meV,除含Ini体系转变为反铁磁基态外其他仍表现为铁磁耦合,说明不同本征缺陷对掺杂磁性有调控作用;对体系施加6%拉应变时磁矩突变为0μB,应变可以调制IMO体系磁性;IMO体系磁性主要来源于掺杂Mo原子与近邻O原子的杂化。
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