Co掺杂(La,Sr)TiO3稀磁半导体的制备、结构与性能研究

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稀磁半导体是新一代自旋电子器件的重要支撑材料之一。制备具有室温铁磁性的稀磁半导体,并探索其磁性来源,从而将其应用于自旋电子器件是自旋电子学领域的研究热点之一。本论文采用溶剂热法结合后退火处理工艺分别制备了(La , Sr)TiO3-δ (LSTO)和不同浓度Co掺杂LSTO的多组分稀磁半导体氧化物纳米粉末材料,并系统研究了掺杂浓度和退火气氛、温度与时间等工艺参数对Co掺杂LSTO局域结构和磁学性能的影响,重点探讨了磁性与掺杂剂Co和缺陷碳的局域结构之间的关系,从而获得对Co掺杂LSTO的磁性起源问题的更深理解。研究结果表明,采用溶剂热法结合后退火工艺成功获得了结晶良好的Co掺杂LSTO稀磁半导体材料,其磁性与掺杂浓度和退火气氛、温度及时间等参数密切相关。我们发现在低掺的情况下(掺杂浓度小于5 at.%),其室温铁磁性是内秉的。且发现磁性与Co掺杂浓度及退火后有机物沉积残留下来的无定型碳含量密切相关。我们通过改变退火气氛和时间调节了Co掺杂LSTO中的碳含量。基于Co掺杂LSTO所具有的室温铁磁性,我们分析了其结构缺陷与碳含量对其磁性的影响,揭示了在高纯Ar气氛退火过程中所诱导的结构缺陷很可能是LSTO基稀磁半导体室温铁磁性的起源,而碳与Co的耦合调节机制可能只是结构缺陷的副产物。我们利用束缚磁性极子模型对磁性机制进行了较完整的解释。实验结果还发现,随着Co掺杂浓度的提高,即掺杂浓度不小于5 at.%时,会有第二相CoO出现。根据观测到的交换偏置现象,我们推测所观测到的室温铁磁很有可能来自于尺寸较小的CoO相或是在Ar气氛下被还原出的少量的无定型的Co金属杂质。
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