新型稀磁半导体的先进谱学表征和性能研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 2次 | 上传用户:cscec83
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稀磁半导体材料(DMS)是可以同时调控电荷自由度和自旋自由度的功能性材料,在材料科学中展现出了丰富卓越的物理性能,引起了人们广泛的研究兴趣。在经典的Mn掺杂的III-V族稀磁半导体中,Mn对三价的Ga的替代会引入一个受主,同时也是磁矩的来源。Mn的这种双重作用复杂了相应的理论解释。最近发现的Mn掺杂的I-II-V半导体Li1+x(Zn1-yMny)As和Mn掺杂的II-II-V semiconductor(Ba1-xKx)(Zn1-yMny)2As2是新型的稀磁半导体,在这些铁磁体中空穴和自旋的注入是可以分别调控的。在稀磁半导体中,人们已经在交换作用的控制中取得了一定的进展,然而对其在物理特性的微观起源中的理解仍然有限。具有元素和轨道壳层分辨的同步辐射谱学技术(发射、吸收和二色性)有着非常高的能量分辨率,非常适合探测特定电子态的结构,而高能X射线衍射实验能分辨出晶格的微小变化。将(Ba1-xKx)(Zn1-y Mny)2As2选为目标材料,研究了空穴掺杂下,导致其高温铁磁有序Tc的间接交换作用机制。除了X射线谱学技术,压力也做为另一个热力学维度引入,用来探究这些新型稀磁半导体中晶格、磁性和电子自由度之间的复杂相互关系。As的K边磁圆二色谱(XMCD)信号强度随着样品磁化强化的变化而变化,同时强烈依赖于样品Tc的大小。因此,As的K边磁圆二色信号可以用来代表块材样品的磁化强度。结合X射线发射谱(XES)、吸收谱(XAS)和磁圆二色谱的测量,实验结果表明空穴掺杂以减小Mn(3d)局域自旋电子态密度为代价,增强p-d轨道杂化作用强度(MnAs4四面体中电子的重排),从而增强Mn离子间的交换作用强度。空穴优掺杂和空穴欠掺杂的样品在压力作用下,都表现出带隙的减小,调控长程铁磁序的空穴媒介载流子变的弱局域,从而抑制样品的磁有序。这两个作用效果都是由于压力作用下As的4p态的强烈反应(能带展宽)所引起的。实际上,阴离子p态和阳离子d态的电子结构随压力的演变是和MnAs4四面体中几何构型的改变和层间As-As距离紧密相连的。这对理解结构和磁性之间的关系提供了重要的信息。使用金刚石压砧,结合同步辐射X射线衍射实验,研究了Li1+x(Zn1-yMny)As压力作用下的结构演变。在11.6GPa左右,探测到了压力诱导的结构转变,高压下的新相被提出具有Pmca的空间群。结构转变诱导的元胞体积坍缩大概在8%。相变前的结构随压力的演变关系对将来的Li(Zn,Mn)As中的铁磁性研究具有重要的指导意义。通过金刚石压砧结合具有非常高的能量分辨率的同步辐射穆斯堡尔谱(SMS),研究了1111型铁基超导体SmFeAs O在良好静水压条件下的磁(Fe)相变。随着压力的增加,磁转变温度降低,最终在25GPa左右反铁磁序消失。结合给出超导转变温度的电输运实验结果,得到了SmFeAsO的P-T相图。这为理解高温超导体中超导性与反铁磁性之间的相互作用关系补充了重要的信息。
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