磁掺杂BaTiO_3的交换机制及磁性薄膜的制备研究
材料合成与制备—巨磁电阻多层膜

右图为射频磁控溅射实验装 置示意图。
射频磁控溅射的特点:
•电流大,溅射速率高,产量大
•膜层与基体的附着力比较强
•向基片的入射能量低,避免了 基片温度的过度升高
•装置较复杂,存在绝缘、屏蔽、 匹配网络装置与安装、电极冷却 等多种装置部件 。
•大功率的射频电源价格较高 ,对 于人身防护也成问题 。
1-磁极 2-屏蔽罩 3-基片 4-基片加热装置
5-溅射靶 6-磁力线 7-电场
8-挡板
9-匹配网络
10-电源
11-射频发生器
射频溅射不适于工业生产应用 。
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➢5.2 直流(DC)磁控溅射
ⅰ. 直流磁控溅射的特点 直流磁控溅射装置图与射
频磁控溅射装置图相比,其不 需要外部复杂的网络匹配装置 和昂贵的射频电源装置,适合 溅射导体或者半导体材料。现 已经在工业上大量使用。 ⅱ. 靶材
靶材利用率最高可达 70% 以上 靶材有更长的使用寿命 更快的溅射速率 杜绝靶中毒现象
13
14
➢5.5 三种磁控溅射对比
DC
MF
RF
电源价格
便宜
一般
昂贵
靶材
圆靶/矩形靶 平面靶/旋转靶 实验室一般用圆平面靶
靶材材质要求
导体
无限制
无限制
抵御靶中毒能力
弱
强
强
靶材利用率
15% / 30%
30% / 70%
直流磁控溅射沉积薄膜一般 用平面靶。
圆形平面靶: η≤15%
矩形平面靶: η~30%
1-磁极
2-屏蔽罩
4-基片加热装置
6-磁力线 7-电场
3-基片 5-溅射靶
8-挡板
batio3介电温谱

batio3介电温谱Batio3是一种具有优异介电性能的材料,其介电常数随温度的变化而变化。
在低温下,其介电常数较低,而在高温下则显著升高。
这种特性使得Batio3在许多应用中具有重要价值,如高温电容、滤波器、电容器等。
为了更好地理解Batio3的介电温谱,首先需要了解其结构。
Batio3是一种具有层状结构的材料,其晶体结构由二维的层状结构组成。
这些层之间通过弱的范德华力相互作用,使得层与层之间的距离较大。
这种层状结构使得Batio3在高温下具有优异的热稳定性,同时其介电性能也得到了很好的改善。
在低温下,Batio3的介电常数较低。
这是因为在低温下,材料的分子运动较弱,因此材料的极化能力也较弱。
随着温度的升高,分子运动逐渐增强,材料的极化能力也逐渐提高,因此介电常数也逐渐升高。
当温度升高到一定程度时,Batio3的介电常数会达到一个峰值。
这是因为在这个温度下,材料的分子运动已经非常强烈,导致材料的极化能力也达到了最大值。
然而,当温度继续升高时,Batio3的介电常数会逐渐降低。
这是因为在高温下,材料中的缺陷和杂质会逐渐增加,导致材料的电性能逐渐恶化。
此外,高温还会导致材料中的晶格畸变和相变,进一步影响材料的介电性能。
因此,在高温下,Batio3的介电常数会逐渐降低。
除了温度的影响外,Batio3的介电常数还受到其他因素的影响。
例如,Batio3的介电常数还受到其晶体结构、化学成分、微观结构等因素的影响。
此外,Batio3的介电常数还受到频率、湿度、压力等环境因素的影响。
综上所述,Batio3是一种具有优异介电性能的材料,其介电常数随温度的变化而变化。
在低温下,其介电常数较低,而在高温下则显著升高。
这种特性使得Batio3在许多应用中具有重要价值。
为了更好地理解Batio3的介电温谱,需要进一步研究其结构、化学成分、微观结构等因素对其介电性能的影响。
此外,还需要研究环境因素对Batio3介电性能的影响。
金属氧化物的磁性能研究

金属氧化物的磁性能研究近年来,金属氧化物作为一类重要的功能材料,受到了广泛的研究和应用。
其中,金属氧化物的磁性能成为研究的热点之一。
本文将就金属氧化物的磁性能进行探讨,重点关注其原理、调控方法以及应用前景。
一、金属氧化物磁性的原理金属氧化物的磁性主要来源于其中的过渡金属离子。
过渡金属离子具有未填满的d电子能级,使其呈现出强烈的自旋和轨道角动量耦合。
这种耦合使得过渡金属离子表现出有序的磁矩排列,形成磁性。
此外,金属氧化物中的晶格结构也对磁性发挥着重要的影响。
二、金属氧化物磁性的调控方法1. 金属离子掺杂调控通过对金属氧化物进行掺杂,可以有效地改变其磁性能。
掺杂过渡金属离子可以产生局域磁矩,从而引起磁性的变化。
同时,掺杂还可以改变晶格结构,进一步影响磁性。
2. 外磁场调控外磁场作用下,金属氧化物内的磁矩会重新排列,从而改变其磁性。
通过调节外磁场的强度和方向,可以实现对金属氧化物磁性的灵活调控。
3. 温度调控温度的改变对金属氧化物的磁性能可产生显著影响。
磁性相变是指金属氧化物在特定温度下经历从顺磁性到铁磁性或反铁磁性的相变过程。
通过调节温度,可以实现金属氧化物磁性的控制。
三、金属氧化物磁性的应用前景1. 数据存储金属氧化物磁性材料可以用于数据存储器件中。
其高饱和磁化强度和稳定性使其成为高密度数据存储技术的理想选择。
2. 传感器金属氧化物的磁性可以用于制造磁传感器。
通过检测外界磁场的变化,可以实现各种传感器的灵敏度和精度的提高,从而改善传感器的性能。
3. 自旋电子学自旋电子学是近年来兴起的一种新型电子学技术。
金属氧化物的磁性可以应用于自旋电子学中的磁隧道结构、磁阻效应等方面,为新一代电子器件的发展提供基础支撑。
四、结语金属氧化物的磁性能研究具有重要的学术和应用价值。
通过深入了解金属氧化物磁性的原理和调控方法,我们可以更好地利用其独特的磁性能,开展相关领域的研究和应用。
未来,金属氧化物磁性材料的发展将会为各个领域带来新的突破和创新。
铁基多层纳米磁性薄膜的组织与磁性能研究

料 的最 大磁 能 积 , 以在 靶材 的制 备 中要严 格 控 所 制 杂质 的含 量 。本 测 试 旨在发 现材料 中影响性 能 的有 害 杂质 , 以后 的制备 中尽 量去 处有 害杂 质 , 在
提 高材料 的磁 学性 能 。
材料 的设 计 和制造 过程 中要 严格 控制 杂 质 的 含量 , 别是 精 密 材料 对 这 方 面 的要 求 更 高 。杂 特 质 的引入会 极 大 地 影 响 材料 的磁 学 性 能 , 降低 材
在 加 工过程 中部 分 脱 落 造 成 , 落 面 积所 占比例 脱
2. 5 2. 5 0
2 5 . 0
l 5 7. 5 1 5
很 小 , 明 薄 膜 层 问 结 合 极 为牢 固 , 状 结 构 良 说 层 好 。 图 2测 得 薄膜 的厚 度 为 20 0 m, 论 值 1.6n 理 为 2 60 m, 验 值与 理 论值 符 合 得 非 常好 , 1 .0n 试 误
【 摘要】 利用表面刻蚀镀膜技术制备 了铁基 多层纳米磁性 薄膜 , 通过 刻蚀镀膜控制参数
的调整 , 可以精确地控制薄膜的厚度。然后对薄膜进行退火处理 , 使薄膜晶化。最后 , 对薄膜磁
『能进 行 了测量 。 生
【 关键词 】 磁性薄膜
多层磁性能组织Fra bibliotek S TUDY oN I M CRoS TRUCTURE AND PRoPERTI F ES o FERRo US M AGNETI NANo . LM S C FI
【 bt c 】 Fr u m gec nn ・ m e b i d b pt r g t ho g.T e A s at e os ant ao l sw r otn y su e n e nl y h r r i i f e ae ti c o
双能态Cr+注入法制备GaCrN铁磁性薄膜

普遍高于室温, n 型、 型、 且 P 高阻样品皆有, 但其铁
磁交换机制却迄今为止没有令人满意的理论解释.
本文介绍了我们在 MOCVD 外延生长 GaN 薄
关, 型和p 型GaN 样品注人Cr ‘ n 后形成GaGrN 薄膜的 饱和磁化强度均显著大于非有意掺杂的样品.
关键词: 稀磁半导体; GaCrN; 离子注人; 铁磁性
P ACC: 7550P ; 6170T ; 7560N 中图分类号 : TN304. 7 文献标识码: A
文章编号 : 0253-4177(2007 )SO -0341-04
第 28 卷 增刊 2007 年 9 月
半
导
C H I N E SE J O U R N A L
体 F M ND o SE学I C O报 U C T O R S
Vol . 28
Supplement Sep . ,2007
双 能态 Cr + 注入 法 制备 GaCrN 铁 磁 性薄膜 ’
姜 娟 王 亮 刘 超 肖 领 王 梅 冉 学 胡国 李 平 丽 卞 晓 红 翠 军 新 建
膜的基础上, 用双能态 Cr ' 注人法制备具有室温铁 磁性的 GaCrN 薄膜样品的研究结果, 并且 比较了 不同导电类型的 GaN 薄膜在注人 Cr +后所制备样
品的磁学特性 .
GaCrN 体系是继 GaMnN 之后又一种获得较广泛
研究的新型 DMS 材料. 相 比于早期研究报道最多
2
实验
的GaMnN 薄膜, GaCrN 薄膜具有更加一致的高于
超巨磁电阻薄膜物理及应用

超巨磁电阻薄膜物理及应用摘要:由于在外界温度变化和磁场作用下表现出巨大的磁电阻效应(CMR),超巨磁电阻材料成为一个热点研究课题。
CMR材料在硬盘读出磁头,随机存储器上极具潜力,在磁传感器、光热辐射探测器、场效应晶体管及磁制冷等方面的应用也崭露头角。
首先介绍了CMR薄膜材料的结构和机理,接着详细讨论了它们在器件应用上,尤其是在激光感生电压热电电压效应(LITV)、Bolometer、传感器等有关方面的应用进展。
最后展望了CMR薄膜未来的应用前景。
引言众所周知,许多物质在外磁场作用下都可观察到磁致电阻效应,但一般材料最大只有2%~3%。
l988年,法国巴黎大学的巴西学者Baibich等⋯首次报道了Fe/Cr超晶格的磁电阻变化率达到50%,比通常的磁电阻效应大一个数量级,而且远远超过多层膜中Fe层磁电阻变化的总和,这一现象被称为巨磁电阻效应(GiantMagnetoresistance,简记为GMR)。
此后,人们相继在自旋阀,颗粒膜,非连续膜和隧道结以及钙钛矿锰氧化物薄膜中发现了巨磁电阻效应。
值得关注的是,1993年,Helmolt等在LaBaMnO3薄膜中观察到了更巨大的负磁阻效应,其MR效应可达到l0 %~l0。
%,引起了物理、计算机、材料和自动控制等领域的众多科学家的极大兴趣,因为这预示了巨磁电阻效应的研究不仅由金属、合金样品扩展到了氧化物材料,还提出许多前沿的物理问题,这无疑将对巨磁电阻材料的实际应用起到巨大的推动作用。
随后的进一步研究发现,掺杂稀土锰氧化物在磁场下的反常输运性质不同于金属磁性超晶格样品中的巨磁电阻效应,而是与氧化物高温超导体中电子的强关联和输运更相近。
因而,掺杂稀土锰氧化物的磁电阻随外磁场变化的现象又称为超巨磁电阻效应(ColossalMagnetoresistance,CMR),并与强关联物理联系在一起。
本文简单介绍了超巨磁电阻材料的结构和机理,着重讨论了近年来CMR材料在LITV 器件,Bolometer,传感器及磁随机存储器等方面的应用进展,最后展望了CMR材料的发展前景。
H掺杂对ZnCoO稀磁半导体薄膜结构及磁性能的影响
itni f 0 2 irc o ekd cess i eices f I2 : A +H2 nfms e ne syo ( 0 )dfat np a e rae t t raeo ({ ) q ( r t f i whh n q )i l — i b
c u e t e d p n y o e a a sv t h n l o s a he s fa e nd g an b un a e . a s h o i g h dr g n c n p s iae t e da g i b nd tt ur c s a r i o d r s ng i
ZnCo Diu e a nei e io uco O l t d M g tc S m c nd t r Thi l s n Fim
YE Zh n—o a tng,ZHU —in ,M A a — u ,LV u- i g, De la g Xio c i Yo m n
GaN基磁性半导体材料研究
GaN基磁性半导体材料研究摘要:磁性半导体材料与器件研究是自旋电子学研究中的一个重要方向,Mn掺杂GaN以及Fe掺杂GaN材料是磁性半导体材料研究领域的两个重要分支,本文中我们对这两个研究方向做了简要的分析与综述,同时我们用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术生长出Mn掺杂GaN材料以及Fe掺杂GaN材料,并对其结构以及磁学性能等进行了分析和讨论。
关键词:氮化镓室温铁磁性MOCVD电荷是电子最基本的一个内禀属性,以电荷自由度为基础的传统电子学造就了现代半导体工业的辉煌。
然而除了电荷,电子还具有另外一个内禀属性——自旋。
在传统的电子学技术当中,电子的自旋特性并没有被充分利用。
随着科学技术的进步,怎样有效的操控电子自旋从而设计新型的器件引起了科学家们的广泛关注,同时也促进了一门新的交叉学科——自旋电子学(Spintronics)的发展。
作为自旋电子学材料的一个重要组成分类,磁性半导体是指由磁性过渡族金属元素或稀土金属元素部分替代半导体材料中的非磁性元素后所形成的一类新型化合物半导体材料。
相对于传统的磁性材料而言,其磁性元素的含量比较少,所以又称之为稀释磁性半导体。
稀释磁性半导体在自旋电子器件的实现上有着很大的优势,在晶体结构上,稀释磁性半导体的制备完全可以借鉴现有的半导体制备工艺技术,在材料生长过程中进行同质外延,生长出高质量的薄膜,足以满足器件要求;另一方面,晶格中磁性离子介入后,能带结构由于塞曼分裂而产生巨大的自旋劈裂,从而产生自旋极化电流,所以完全可以充当自旋极化电流的源层应用到自旋电子学器件当中去。
目前关于稀释磁性半导体磁性起源的理论主要可以分为两类。
第一类理论立足于平均场近似的前提之上。
该理论认为,磁性离子均匀随机的以替位形式进入半导体晶格当中,并通过某种均匀场的形式相互耦合,从而对外显现出宏观铁磁性。
第二类理论把磁性的产生归功于晶格中磁性原子集结成的纳米团簇,主要是指含量极少的磁性金属颗粒以及其他相化合物。
铁酸铋薄膜sol-gel方法的制备、掺杂及电性能研究
铁酸铋薄膜sol-gel方法的制备、掺杂及电性能研究铁酸铋薄膜sol-gel方法的制备、掺杂及电性能研究摘要:随着科学技术的发展,铁酸铋薄膜作为一种新型的功能材料受到了广泛关注。
铁酸铋薄膜因其优异的电学性能和应用潜力,在光电器件、传感器和能源存储等领域具有重要的应用价值。
本文通过sol-gel方法制备了铁酸铋薄膜,并通过掺杂改变其结构和电学性能,研究了铁酸铋薄膜的制备、掺杂及电性能。
1. 引言铁酸铋是一种具有较高介电常数和费米能级较低的铁电材料,具有优异的光电特性和电子结构。
传统的制备方法中常采用物理气相沉积和磁控溅射等技术,但这些方法存在着成本高、制备复杂以及无法实现大面积制备的问题。
而sol-gel方法则具有制备简单、成本低、工艺灵活等优点,因此被广泛应用于铁酸铋薄膜的制备研究中。
2. 铁酸铋薄膜的制备方法2.1 溶胶制备首先,通过溶胶制备方法制备了铁酸铋前驱体溶胶。
选取适量的铋酸铋、铁盐和适宜溶剂,先将其溶解并搅拌混合,形成均匀溶胶。
然后通过离心分离,得到适当稠度的铁酸铋溶胶。
2.2 凝胶制备将铁酸铋溶胶转变为凝胶,通过溶胶的水解缩聚反应,得到凝胶状态的铁酸铋物质。
同时,通过控制水解缩聚的参数,如PH值、温度和反应时间等,可以调节凝胶的结构和形貌,从而影响最终薄膜的性能。
2.3 薄膜制备通过旋涂、喷雾、浸渍等方法,将凝胶涂覆在基底上,形成均匀的铁酸铋薄膜。
此外,可通过热处理和煅烧等方法,使薄膜的结构更加稳定和致密。
3. 掺杂改性及电性能研究为了进一步提高铁酸铋薄膜的性能,本文对铁酸铋薄膜进行了不同掺杂改性,并研究了其电学性能。
3.1 元素掺杂通过引入其他金属元素,如钙、锰等,对铁酸铋薄膜进行掺杂改性。
实验结果表明,掺杂元素的引入能够有效改善铁酸铋薄膜的晶体结构和电学性能。
同时,不同掺杂元素对铁酸铋薄膜的影响也存在差异,需要进一步研究优化。
3.2 同质和异质掺杂在铁酸铋薄膜中加入其他同质或异质材料,如氧化锰、氧化镍等,可以调节铁酸铋薄膜的结构和电学性能。
YIG磁光薄膜磁光效应机理研究
Ce :YIG 磁光薄膜磁光效应机理研究!梅延玲1,胡华安2,贺长建3(1.湖北民族学院电子工程与应用物理系,中国恩施445000;2.军事经济学院军用物资系,中国武汉430035;3.江汉大学卫生技术学院,中国武汉430016)摘要:在对Ce :YIG 的电子结构计算的基础上,得出了Ce 3+的掺入,Ce 3+的5d 、4f 电子以及Fe 3+3d 电子之间形成了自旋-轨道劈裂较大的杂化轨道,同时存在Fe 3+(3d )"Ce 3+(4f )的电子跃迁,它们对磁光效应有重要的贡献,是1.5eV 和2.1eV 两个跃迁中心的来源,在1.0~3.2eV 范围内,分别对不同的掺Ce 量的光吸收谱及磁光优值进行了计算,结果与实验符合较好.关键词:Ce :YIG 磁光薄膜;磁光效应;电子跃迁中图分类号:0441.2文献标识码:A文章编号:1000-2537(2003)04-0042-05A Study on the Mechanism of the Magaeto-optic Effectsof Ce :YIG Magneto-optic Thin FimlsMEI Yan-ling 1,HU Hua-an 2,HE Chang-jian 3(1.Department of Eiectricai Engineering and Appiied Physics ,Hubei Institute for Nationaiities ,Enshi 445000,China ;2.Department of Army Goods and Materiats ,Wuhan Institute of Economics ,Wuhan 430035,China ;3.Coiiege of Heaith and Technoiogy New Jianghan University ,Wuhan 430016,China )Abstract :The coupie orbits among 5d ,4f ,and 3d orbits are existent because of the substitution of Ce 3+ionaccording to the caicuiation of eiectronic structure of Ce :YIG.The coupie orbits have iarge spin-orbit interaction.The caicuiation resuits aiso show that there are eiectronic transitions Fe 3+(3d )"Ce 3+(4f )that ma be the origin of transitioncenters of 1.5eV and 2.1eV shown the iarge opticai absorption.The density of transition center is proportionai to cerium content.The opticai absorption spectra and magneto optic merit of Y 3-x CexFe 508on x =0.3,0.7are caicuiated respectiveiy between 1.0~3.2eV.Caicuiated resuits are consistent with experimentai data.Key words :Ce :YIG ;magnetooptic thin fiims ;nagnetooptica effect ;eiectronic transition随着光通信技术和光信息处理技术的发展,对以磁光效应为基础的非互易器件的需求量越来越大.以磁性石榴石为基础的系列磁光薄膜在光通信波段具有低的光损耗及强的法拉第旋转,特别适合于制作光通信中的非互易器件.与通用的YIG ,GdbiIG 等材料相比,掺Ce 钇铁石榴石(Ce :YIG )具有更大的法拉第旋转,掺铈钇铁石榴石磁光薄膜其法拉第效应比掺bi 系列磁光薄膜大5~6倍,使得掺铈钇铁石榴石磁光薄膜成为最具发展前途的新型磁光材料之一,在光通讯和光信息处理领域有着广阔的发展前景.磁光薄膜最重要的参数是法拉第旋转角和光吸收,它们是直接影响磁光器件性能的最重要的参数.考虑到光学器件实际应用上的需要,薄膜材料必须具有低的光吸收,因此,有必要深入分析Ce 掺入对钇铁石榴石光吸收影响的机理.通过对掺铈石榴石的法拉第效应增大机制以及光损耗机制的研究,从理论上获得降低薄膜的光损耗的途经,提高!收稿日期:2003-08-27基金项目:国家自然科学基金资助项目(59702006)作者简介:梅延玲(1957-),女,湖北恩施人,湖北民族学院信息工程学院副教授.主要研究磁光薄膜理论.2003年12月第26卷第4期湖南师范大学自然科学学报Jour Nat Scie Hunan Norm Univ Voi.26No.4Dec.,2003薄膜的磁光优值,才能对改进磁光薄膜材料的配方和工艺以及制备性能优良的磁光薄膜提供理论指导.因此对Ce :YIG 磁光薄膜磁光效应的机理研究,在理论上和实际应用上都有很重要的意义.!理论与分析关于掺铈钇铁石榴石(Ce :YIG )磁光薄膜磁光效应的实验研究已有很多成果[l ,2],即Ce :YIG 在可见光至近红外区域具有非常大的法拉第旋转角和光吸收,特别是在近红外区域(l.4eV 附近,)法拉第效应的增大比较显著.在波长为l l50nm 时,其增大的因子是掺Bi 3+是的6倍.关于掺铈钇铁石榴石具有很大的法拉第旋转角的原因以及相应的旋转谱的理论计算已有文献报道[2,3].然而,这些结论大多是定性的,对Ce 3+的掺入导致法拉第效应增大的机理没有给出微观上的说明.对掺铈钇铁石榴石磁光薄膜的法拉第旋转角的理论计算中,是以Ce 3+离子的自由原子以能级为基础,考虑周围环境的作用.而Ce 3+是非磁性离子,在计算中没有考虑磁性离子Fe 3+的影响,这种考虑肯定是不全面的.因此,我们在对Ce :YIG 电子结构的微观计算的基础上,分析了影响光吸收的因素并对法拉第旋转谱和光吸收谱进行了计算[4,5]在此基础上计算了磁光优值.图!Ce :YIG 的部分能级结构[2]!.!光吸收的机理分析及理论计算关于光吸收机理的研究,已有一些工作[l ,2],在文献[2]的研究中,曾给出Ce :YIG 的部分能级结构(图l ).Fe 2+的空能带比Ce 3+离子的5d 能态低,而四面体位的Fe 3+(tet.)是距l2面体位Ce 3+最近的金属离子,故而在Ce 3+与8面体Fe 3+(Oct.)和4面体Fe 3+(tet.)间,Ce 3+(4f )!Fe 3+(tet.)跃迁能量最低.此跃迁终态的能级劈裂为0.45eV ,正是Ce 3+(4f )!Fe 3+(tet.)这一电子跃迁导致了l ~2.5eV 光子能量范围内Ce 掺杂的强光吸收增强.但这些工作大多是定性的,对机理的研究是唯像的,对吸收谱的计算是采用单电子跃迁模型进行拟合计算的结果,并没有考虑由于激发态的自旋-轨道劈裂对光吸收的影响.表!(Ce 3+Fe 3+602-8)5+原子簇部分能级的波函数(A 表示)轨道OrbitS !/eV Ce 6S Ce 5p Ce 5d Ce 4f Fe (a )4S Fe (a )4p Fe (a )3d Fe (d )4S Fe (d )4p Fe (d )3d02S 02p 03S22A +-4.22870.0l0.0l 0.9l 0.060.0l 23A +-l.84420.020.880.020.030.0424A +-l.600.0l0.9l 0.050.0225A +-l.34l 50.0l 0.920.020.0426A +-0.887l 0.020.780.0l 0.0l 0.080.l027A +-0.42l 80.0l 0.030.020.770.0l 0.0l 0.070.0828A +0.22040.l20.360.0l 0.050.030.070.020.l00.090.l629A +0.60240.240.l30.020.030.l00.020.290.080.l030A +l.34700.l30.0l 0.0l 0.020.090.0l 0.020.560.040.l23lA +l.64360.030.l40.440.0l 0.0l 0.030.0l 0.220.0l 0.040.0732A +l.83l 30.0l0.040.l80.040.030.l00.020.0l 0.240.090.2533A + 2.09530.l00.0l 0.0l0.8l 0.030.0334A + 2.45450.040.040.0l 0.0l0.860.0l 0.0335A + 2.67720.0l 0.090.060.0l 0.020.0l 0.780.020.0l 36A + 2.96880.0l 0.020.020.0l 0.030.840.020.0537A + 3.55660.0l 0.540.l50.0l0.200.070.0338A + 3.77l 50.0l0.060.630.020.0l 0.0l0.020.l80.040.0339A + 4.20420.l60.l40.0l0.0l0.0l0.0l 0.630.0320A --3.29260.940.040.0234第4期梅延玲等:Ce :YIG 磁光薄膜磁光效应机理研究44湖南师范大学自然科学学报第26卷续表1轨道!/eV Ce6S Ce5p Ce5c Ce4f Fe(a)4S Fe(a)4p Fe(a)3c Fe(c)4S Fe(c)4p Fe(c)3c02S02p03S OrbitS21A--3.01500.010.930.0622A--2.70760.010.940.0423A--1.55920.010.010.920.050.01 24A--0.21770.020.070.020.020.010.300.050.020.110.37 25A-0.23950.040.140.010.010.760.010.020.02 26A-0.44900.020.050.010.860.010.010.04 27A-0.56330.050.440.030.010.020.310.010.010.060.06 28A-0.93340.010.030.010.010.010.570.040.010.070.24 29A-0.99590.020.090.010.010.010.740.020.020.09 30A- 1.38780.010.020.940.010.02 31A- 1.81500.010.040.820.060.010.0432A- 2.13070.010.080.010.040.030.530.040.010.080.18 33A- 3.18100.020.160.010.030.610.020.010.070.07 34A- 3.55380.010.760.050.010.050.010.010.010.060.02 35A- 3.61910.020.070.010.010.860.010.0236A- 3.85040.070.540.320.030.01表!(Ce3+Fe3+602-8)5+原子簇部分能级的波函数(B表示)轨道!/eV Ce5p Ce5c Ce4f Fe(a)4S Fe(a)4p Fe(a)3c Fe(c)4p Fe(c)3c02S02p03S OrbitS22B+-4.22050.010.920.060.01 23B+-3.83410.080.010.010.110.010.200.58 24B+-1.81770.010.010.020.820.010.020.040.07 25B+-1.58100.010.910.060.01 26B+-1.28980.960.010.010.02 27B+-0.89250.030.010.790.020.060.08 28B+-0.29390.020.020.010.830.010.070.04 29B+0.52250.010.080.030.080.030.180.140.100.36 30B+ 1.51570.010.830.010.020.050.020.05 31B+ 1.77960.010.230.150.020.020.030.180.130.23 32B+ 2.08440.030.020.930.0233B+ 2.37830.100.420.020.020.050.280.010.050.06 34B+ 2.55520.030.050.010.870.010.02 35B+ 3.06950.010.270.390.010.010.190.010.100.02 36B+ 3.70890.050.020.070.010.050.690.070.04 37B+ 3.94570.040.660.090.010.010.120.010.030.03 20B--3.11030.010.880.050.05 21B--2.65860.010.020.010.720.010.170.05 22B--1.95920.010.010.010.660.010.170.12 23B-0.29390.98324B-0.38100.010.930.010.020.010.02 25B-0.72650.070.050.010.440.040.080.060.23 26B-0.93610.010.9827B- 1.34150.060.200.010.640.010.010.020.06 28B- 1.44220.010.300.660.010.010.01 29B- 1.73340.180.490.010.010.170.010.010.010.030.07续表2轨道Orbits E /eV Ce 5pCe 5d Ce 4f Fe (a )4s Fe (a )4p Fe (a )3d Fe (d )4p Fe (d )3d 02s 02p 03s 30B - 2.02450.340.160.010.130.010.010.180.1731B - 2.77830.070.630.020.060.010.010.060.1432B - 3.33610.010.110.010.020.670.010.010.010.020.1233B - 3.65180.010.020.010.010.910.020.0234B - 3.76060.010.140.300.040.380.020.010.020.09为此,我们对Ce :YIG 的电子结构进行了计算[6],根据计算,费米面两侧-3.5~3.5eV 之间相应的各态及波函数如表1和表2所示.从表1和表2可以看出,由于Ce 3+的掺入,在-3.5~3.5eV 之间,Ce 5d 和Ce 4f 轨道处于激发态,有部分Ce 5d 轨道和Ce 4f 轨道与Fe 3d 轨道重迭,形成耦合轨道.说明Ce 5d 轨道和Ce 4f 轨道与Fe 3d 轨道有较强的耦合作用.根据文献[4]的计算,Ce 5d 轨道和Ce 4f 轨道的自旋-轨道耦合系数都很大,当它们与Fe 3d 形成耦合轨道时,导致了耦合轨道的自旋-轨道劈裂有所增大.另外,从表1和表2还可以看出,有一部分Ce 4f 单态在费米面附近1.9eV 以下存在,由于它们的存在,从而导致了一部分新的跃迁,这一部分跃迁可能对磁光效应特别是光吸收的影响较大.因此,对于Ce 3+离子的掺入,存在Fe (a )3+!Fe (d )3+和Fe (d )3+!Fe(a )3+之间的电子跃迁,但这里由于有部分轨道形成Ce 5d ,Ce 4f 和Fe 3d 之间的耦合轨道,且耦合轨道的自旋-轨道劈裂增大,从而使跃迁在这一部分耦合轨道之间存在;另外还存在新的电子跃迁即Fe 3+(3d )!Ce 3+(4f ),这种跃迁对磁光效应的影响比较大,对于1.5eV 与2.1eV 两个吸收峰,可以归因于电荷转移跃迁Fe 3+(3d )!Ce 3+(4f )而不是Ce 3+(4f )!Fe +3(3d )的跃迁以及Ce 3+离子内的4f !5d 的电子跃迁[2,5].YIG 的光吸收系数!由下式给出O =2"ln e "11=w cn e "11,(1)以及e "11=4"Ne 2m "g ,e p (0)tf xg e 2w p ge (w 2ge -w 2+p 2ge )2+4w 2p 2ge (2)其中基态I g >和激发态I e >之间的跃迁频率为w i ,线宽为p i ,振子强度为f i ,p (0)e 是电子处于激发态I e >的概率,N 为单位体积的跃迁中心数,c 为光速,n 为折射率,f xg e =(2m w ge /h )I <g I x I e >I 2为线偏振光的振子强度,e 和m 分别是电子电荷及质量.对于8面体和4面体,设N 1=16/a 3和N 2=24/a 3.(3)式中a 为晶格常数.根据以上分析并利用文献[5]表3给出的数据,对Ce :YIG 的进行了计算,结果如图2(a )所示,它们与实验结果图2(b )相比,符合较好,这有力的说明了电荷转移跃迁Fe 3+(3d )!Ce 3+(4f )是1.5eV 与2.1eV 两个吸收峰的重要原因.图!Y 3-x Ce x Fe 5012的光吸收谱54第4期梅延玲等:Ce :YIG 磁光薄膜磁光效应机理研究!."磁光优值的计算在文献[4]中,我们对Ce:YIG的法拉第旋转谱进行了理论计算,在此基础上,利用下式计算磁光优值.F=!F".(4)图# C :Y G的磁光优值式中!F为法拉第旋转角,"为光吸收系数.计算结果如图3所示.从图3可以看出,磁光优值在波长633nm和1150nm附近具有极大值,特别适合用于光通讯."结论通过以上的计算,关于Ce:YIG磁光效应的机理有以下结论:1)由于Ce3+的5d,4f电子与部分Fe3+的3d电子形成了自旋-轨道劈裂较大的耦合轨道,与此相关的跃迁中心数与Ce3+离子的浓度成正比,这是导致法拉第旋转增大的主要原因.2)在光吸收中,存在1.5eV和2.1eV附近的跃迁中心,这两个跃迁中心的存在是由Fe3+(3d)!Ce3+(4f)的电子跃迁所导致的.其跃迁中心数与Ce3+离子的浓度成正比.3)由于Ce:YIG的光吸收正比于跃迁中心数,因此,Ce:YIG的光吸收随着掺铈量的增加而增加.参考文献:[1]GOMI M,SATOH K,BE A.Giant faraday rotation of Ce-substituted YIG fiIms epitaxiaIIy grown by RF sputtering[J].Jpn J AppI Phys,1988,27(8),1535-1538.[2]GOMI M,FURUYANA H,BE M A.Strong magneto-opticaI enhancement in highIy Ce-substituted iron garnet fiIms prepared by sputtering[J].J AppI Phys,1991,70(11),7065-7067.[3]XU Y,YANG J H,ZHANG G Y.A theoreticaI investigation on the strong magneto-opticaI enIancement in Ce-substituted yttrium iron garnet[J].J Phys:Condens.Matter,1993,5,8927-8934.[4]胡安华,何华辉,梅延玲等.Ce:YIG磁光薄膜法-拉第旋转谱的理论计算[J].华中科技大学学报,2001,29(1):59-60.[5]胡华安,何华辉,梅延玲等.Ce:YIG光吸收谱的微观机理及理论计算[J].光学学报,2001,21(12):1501-1505.[6]胡安华,王坚红,段志云等.Ce:YIG磁光薄膜电子结构计算[J].功能材料,2000,31(5):488-490.64湖南师范大学自然科学学报第26卷。
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磁掺杂BaTiO_3的交换机制及磁性薄膜的制备研究【摘要】:同时具备磁有序和电有序的多铁性材料在器件方面蕴藏着广阔的应用前景。
过渡金属掺杂BaTiO_3有望获得铁磁性而形成新型的多铁性材料体系,但是关于磁性起源问题至今仍存在争议。
基于这一现状,本论文第一部分围绕Fe掺杂BaTiO_3体系展开工作,通过改变Fe的掺杂浓度、替代位置、退火气氛和工艺条件,对磁性能和交换机制进行系统的研究。
获得的主要结果如下:1.采用固态反应法,通过化学计量配比控制,对BaTiO_3中B位的Ti进行Fe替代,制备具有室温铁磁性的Ba(Ti_(1-x)Fe_x)O_3(7≤x≤70at.%)样品。
X射线衍射和穆斯堡尔谱的测量结果表明,所有B位替代样品均为6H-BaTiO_3型六方钙钛矿单相结构,Fe原子固溶到BaTiO_3晶格中以Fe~(3+)的形式取代Ti~(4+),分布在五面体Ti位和八面体Ti位上。
由此建立起该体系磁性能与Fe原子局域环境(包括氧化态、占位和分布比例)间的对应关系。
磁性能的研究结果表明,铁磁性源于B位Fe 掺杂BaTiO_3中不同占位Fe~(3+)离子间的超交换耦合作用,并与氧空位有一定的关系。
随着Fe含量的增大,样品的饱和磁化强度主要受到两个因素的影响:一为五面体Ti位与八面体Ti位的Fe~(3+)占位比例,其增大有利于提高磁性能;二为氧缺陷浓度,其增大将使磁性能减弱。
2.考虑到Fe~(2+)的价态与Ba~(2+)相同且半径小于Ba~(2+),因此利用Fe替代BaTiO_3中A位的Ba,制备A位替代样品,比较不同替代位置的磁性能。
结果表明,通过原材料的化学计量比控制在一定程度上实现了Fe的A位替代:样品具有6H-BaTiO_3型六方钙钛矿单相结构,Fe离子以Fe~(2+)和Fe~(3+)的形式存在,分别取代Ba~(2+)和Ti~(4+)离子,分布在Ba位和八面体Ti位上。
Fe~(2+)和Fe~(3+)离子间的双交换作用使A位替代样品表现出室温铁磁性;然而与B位替代样品相比,磁交换机制的变化使A位替代的磁性明显减弱:在7at.%的掺杂浓度下,A位替代样品的饱和磁化强度仅为B位替代的1/6。
而且A位替代的浓度范围较小,当Fe 含量高于7at.%时样品中开始出现第二相。
3.对B位替代样品分别进行真空和氧气气氛下的后退火处理,通过改变退火气氛控制Fe离子的价态和占位分布以及氧缺陷浓度,研究磁性能随退火气氛的变化规律,并对不同气氛退火后的磁交换机制进行讨论。
结果表明,真空和氧气退火后的Ba(Ti_(0.3)Fe_(0.7))O_3样品仍为单相结构,没有出现第二相;且均在室温下表现出铁磁有序,但磁化强度随着退火气氛的变化而变化。
经过真空退火后,五面体Ti位与八面体Ti位Fe~(3+)的比例增大,同时氧空位增多,两者竞争的结果最终导致饱和磁化强度减小,而磁交换机制保持不变。
相反,由于特殊价态Fe~(4+)的出现,氧气退火后饱和磁化强度显著增强。
氧气退火样品中Fe~(3+)和Fe~(4+)同时存在,导致磁交换机制由不同占位Fe~(3+)离子间的相互作用转变为不同价态Fe离子间的相互作用。
利用过渡金属通常具有多种氧化态的特点,为进一步探索提高磁性能的途径,论文第二部分通过Fe和其它元素对BaTiO_3进行B位和A、B位共掺杂,并在真空和氧气气氛下进行后退火处理,研究不同元素的离子之间或同一元素不同价态的离子之间产生的作用以及退火气氛对磁性能和交换机制的影响。
获得的主要结果如下:1.制备B位共掺杂的Ba(Ti_(0.65)M_(0.05)Fe_(0.3))O_3(M=Cr、Ni、Mn)样品,并分别进行真空和氧气气氛下的后退火处理。
结果表明,样品均具有6H-BaTiO-3型六方钙钛矿单相结构,Fe和M离子固溶到BaTiO_3的主晶格中,没有形成第二相。
在制备态样品中,Fe离子以Fe~(3+)的形式分布在四面体Ti位和八面体Ti位上,而Cr、Ni和Mn原子则分别以+3、+2和+7的氧化态出现,不同占位Fe~(3+)离子以及M离子之间的交换相互作用产生顺磁性。
经过退火处理后样品均表现出室温铁磁性,磁交换机制随共掺杂元素和退火气氛的变化而各不相同,包括不同价态M离子间的双交换作用、不同占位Fe~(3+)离子间的超交换作用和不同价态Fe离子间的相互作用。
2.改变B位Fe/Mn 共掺杂制备态样品Ba(Ti_(0.7-x)Mn_xFe_(0.3))O_3(5≤x≤20at.%)中的Mn含量,研究磁性能的变化规律。
结果表明,所有样品均具有单相结构;随着Mn含量的增大,样品中除了Mn~(7+)离子外开始出现Mn~(4+)离子,从而产生了基于Mn~(4+)-Mn~(7+)离子对的双交换机制,导致样品逐渐由顺磁性转变为铁磁性,且饱和磁化强度随着Mn~(4+)-Mn~(7+)离子对的增多而增强;进一步验证了真空退火的Ba(Ti_(0.65)Mn_(0.05)Fe_(0.3))O_3样品中铁磁性来源于不同价态Mn离子间双交换作用的结论。
3.制备A、B位共掺杂的(Ba_(0.8)R_(0.2))(Ti_(0.3)Fe_(0.7))O_3(R=K、Sr)样品,并进行一定气氛下的后退火处理。
结果表明,制备态和退火样品都具有6H-BaTiO_3型六方钙钛矿单相结构,R和Fe离子固溶到BaTiO_3的主晶格中,没有生成第二相。
制备态中四面体Ti位和八面体Ti位Fe~(3+)离子间的超交换作用决定了样品的顺磁性。
而氧气退火的K /Fe样品和真空退火的Sr/Fe样品则均表现出室温铁磁性,前者的磁性源于不同价态Fe离子间的交换作用,而后者源于不同占位Fe~(3+)离子间的交换作用。
4.改变A、B位Sr/Fe共掺杂真空退火样品(Ba_(1-x)Sr_x)(Ti_(0.3)Fe_(0.7))O_3(20≤x≤75at.%)中的Sr 含量,研究磁性能的变化规律。
结果表明,所有样品均为单相结构,由于Sr~(2+)的半径比它所取代的Ba~(2+)的半径小,导致晶格参数随着Sr含量的增大而逐渐减小;同时,样品中五面体Ti位与八面体Ti 位Fe~(3+)的比例增大,氧空位增多,两种机制相互竞争,使得样品的饱和磁化强度逐渐增强。
考虑到薄膜材料在实际器件中的应用需要,论文第三部分采用脉冲激光沉积法制备Fe掺杂BaTiO_3薄膜,通过合适的沉积工艺,实现Fe的高浓度掺杂并获得铁磁性;同时,还制备了Fe_3Si磁性薄膜,通过改变工艺条件对其结构和性能进行研究。
获得的主要结果如下:1.在SrTiO_3(100)衬底上沉积Ba(Ti_(1-x)Fe_x)O_3(20≤x≤90at.%)薄膜。
结果表明,与固态反应法制备的样品不同,脉冲激光沉积的薄膜具有四方而非六方钙钛矿单相结构,并沿着a轴准外延生长。
随着Fe含量的增大,由于Fe~(3+)的出现产生氧空位,而且Fe~(3+)的半径比它所取代的Ti~(4+)的半径大,导致晶格参数逐渐增大。
利用超导量子干涉仪磁强计进行磁性测量,发现Fe掺杂使薄膜在2K的温度下表现出铁磁有序。
≤2.在Si(100)衬底上直接沉积Fe_3Si薄膜以形成铁磁体一半导体结构,并通过改变衬底温度获得不同的结构有序状态,首次对Fe_3Si/Si(100)异质结进行表面形貌、相结构、原子组态、宏观磁性和光致发光特性的研究,得到薄膜的磁性能和荧光性能随结构有序状态的变化规律。
结果表明,不同衬底温度下制备的薄膜均为Fe_3Si单相结构,在薄膜和衬底之间没有形成非磁性的界面,同时薄膜沿着(220)面高度取向生长。
随着衬底温度的升高,薄膜的结构有序类型发生了A2→B2→DO+_3的转变,有序程度逐渐提高。
室温生长的Fe_3Si薄膜表现出最佳的软磁特性——饱和磁化强度最高、剩磁比最大、矫顽力最小,其饱和磁化强度接近DO_3结构的Fe_3Si块体。
同时,在Fe_3Si薄膜中观察到紫外波段强发光峰,随着结构有序程度的提高,紫外发光峰的位置保持不变而强度逐渐增强,为其磁光性能的研究奠定了基础。
【关键词】:掺杂BaTiO_3磁交换机制穆斯堡尔谱薄膜制备【学位授予单位】:华东师范大学【学位级别】:博士【学位授予年份】:2008【分类号】:O484.43【目录】:摘要6-9ABSTRACT9-15第一章绪论15-361.1BaTiO_3的基本性质15-181.2掺杂BaTiO_3的研究现状18-201.3多铁性材料的主要性质20-221.4多铁性材料的基础理论22-241.5多铁性材料的研究进展24-311.5.1单相多铁性材料25-291.5.2铁电—铁磁复合体系29-311.6多铁性材料的应用前景31-321.7本论文的主要研究内容32-33参考文献33-36第二章样品的制备与表征方法36-472.1制备方法36-392.1.1固态反应法36-372.1.2薄膜的脉冲激光沉积法37-392.2样品的结构与物性分析39-452.2.1表面形貌分析39-402.2.2相结构分析40-412.2.3Fe原子局域环境分析41-432.2.4磁性能测量43-442.2.5荧光性能测量44-45参考文献45-47第三章Fe掺杂BaTiO_3的磁性能与交换机制47-723.1Fe掺杂浓度对Ba(Ti_(1-x)Fe_x)O_3的磁性能与交换机制的影响47-553.1.1实验设计47-483.1.2Ba(Ti_(1-x)Fe_x)O_3的相结构48-493.1.3Ba(Ti_(1-x)Fe_x)O_3的穆斯堡尔谱研究49-523.1.4Ba(Ti_(1-x)Fe_x)O_3的磁性能和交换机制52-553.2替代位置对Fe掺杂BaTiO_3的磁性能与交换机制的影响55-583.2.1实验设计553.2.2替代位置对相结构的影响55-563.2.3替代位置对Fe的价态和占位的影响56-573.2.4替代位置对磁性能和交换机制的影响57-583.3退火气氛对Ba(Ti_(0.3)Fe_(0.7))O_3的磁性能与交换机制的影响58-643.3.1实验设计58-593.3.2退火气氛对相结构的影响59-603.3.3退火气氛对磁性能的影响603.3.4退火气氛对Fe的价态和占位的影响60-623.3.5退火气氛对磁交换机制的影响62-643.4工艺条件对Ba(Ti_0.93Fe_0.07)O_3的磁性能与交换机制的影响64-683.4.1实验设计643.4.2工艺条件对相结构的影响64-653.4.3工艺条件对Fe的价态和占位的影响65-663.4.4工艺条件对磁性能和交换机制的影响66-683.5本章小结68-69参考文献69-72第四章共掺杂BaTiO_3的磁性能与交换机制72-1004.1实验设计734.2Fe/Cr共掺杂对磁性能与交换机制的影响73-764.3Fe/Ni共掺杂对磁性能与交换机制的影响76-794.4Fe/Mn共掺杂对磁性能与交换机制的影响79-864.4.1退火气氛对Fe/Mn共掺杂BaTiO_3的磁性能和交换机制的影响79-824.4.2Mn含量对Fa/Mn共掺杂BaTiO_3的磁性能和交换机制的影响82-864.5K/Fe共掺杂对磁性能与交换机制的影响86-894.6Sr/Fe 共掺杂对磁性能与交换机制的影响89-964.6.1真空退火对Sr/Fe共掺杂BaTiO_3的磁性能和交换机制的影响89-924.6.2Sr含量对Sr/Fe共掺杂BaTiO_3的磁性能和交换机制的影响92-964.7本章小结96-98参考文献98-100第五章磁性薄膜的制备、微结构与磁性能100-1245.1Ba(Ti_(1-x)Fe_x)O_3薄膜的制备、微结构与磁性能100-1045.1.1实验设计1005.1.2Ba(Ti_(1-x)Fe_x)O_3薄膜的微结构100-1025.1.3Ba(Ti_(1-x)Fe_x)O_3薄膜的磁性能102-1045.2Fe_3Si薄膜的制备、微结构与性能104-1195.2.1实验设计1055.2.2Fe_3Si薄膜的表面形貌105-1065.2.3Fe_3Si薄膜的相结构106-1075.2.4Fe_3Si薄膜的穆斯堡尔谱研究107-1135.2.5Fe_3Si薄膜的磁性能113-1165.2.6Fe_3Si薄膜的荧光特性116-1195.3本章小结119参考文献119-124第六章结论124-128攻读博士学位期间发表的论文128-130后记130 本论文购买请联系页眉网站。