氧空位及Co团簇对(In1-xCox)2O3薄膜磁、输运性能的影响

　　稀磁半导体（DMS）兼具电子的电荷和自旋两种特性而成为自旋电子学领域的研究热点。In­₂O₃是一种宽禁带（3.75eV）n型半导体材料，具有高电导率、好的可见光透明度以及优异气敏性能。In­₂O₃基DMS材料的成功制备有望实现一种集电、光、气和磁于一体的多功能器件。然而，目前In₂O₃基DMS的磁性机理仍不能完全解释清楚，尤其对于掺杂的磁性离子与载流子以及缺陷（氧空位、In间隙等）之间的磁交换作用机制仍存在较大争议。因此，如何有效地澄清In₂O₃基稀磁半导体的磁性机理成为目前关注的热点。 

　　天津理工大学材料科学与工程学院一个研究组对Co掺杂In₂O₃基DMS材料中掺杂磁性Co原子的局域结构、电子结构特点及其与缺陷间关系做了系统地研究，并进一步探讨其对自旋相关磁、输运性能的影响，相关研究成果发表在2014年5月15日的《The Journal of Physical Chemistry C》杂志上。 

　　该研究组制备出具有良好室温铁磁性的Co掺杂In₂O₃基DMS薄膜。利用在北京同步辐射装置4B9A-衍射实验站获得的Co-K边的EXAFS、XANES谱的多重散射理论计算与数据拟合表明，不同Co掺杂浓度In₂O₃薄膜中Co均以In³⁺替位和Co团簇形式共存，且替位Co第一近邻配位存在氧空位，显示了Co在In₂O₃体系中与Mn和Fe不同的存在形式。研究证实了薄膜中Co团簇是超顺磁性的，且观察到的室温铁磁性是本征的，氧空位缺陷为媒介的BMP模型能很好的解释磁性起源。结合输运性能分析合，可以认为载流子局域效应的变化能强烈地影响In₂O₃基DMS的磁性能，适当的载流子变程跃迁局域半径能导致Co掺杂In₂O₃基DMS薄膜获得最强室温铁磁性。 

　　(a) 

　　(b) 

　　图1 不同Co掺杂浓度In₂O₃基DMS材料的Co的K边EXAFS(a)、XANES(b)谱分析结果。 

　　相关研究为实现操纵DMS磁学性质提供科学依据，也为新型自旋电子学器件的制备和设计打下基础。

　　发表文章： 

　　Yukai An^*, Dongyan Yang, Guanxiong Ma, Yi Zhu, Shiqi Wang, Zhonghua Wu, Jiwen Liu^*, Role of Co Clusters and Oxygen Vacancies in the Magnetic and Transport Properties of Co-Doped In₂O₃ Films, J. Phys. Chem. C 118 (2014) 10448-10454.