Fe掺杂In2O3薄膜中氧空位引诱的室温铁磁性与磁电阻

　　自旋电子学器件兼具电子的电荷和自旋两种属性，成为目前人们研究的热点。要实现这种性能优异的自旋电子学器件，制备出具有室温以上铁磁性的稀磁半导体材料是非常关键的。In­₂O₃是一种宽禁带（3.75eV）n型半导体材料，具有易调控的载流子浓度、高的载流子迁移率、好的可见光透明度以及优异的气敏性能，是一种非常有希望的自旋电子学器件备选材料。目前，In₂O₃稀磁半导体磁性机制和起源仍不能完全解释清楚，对于载流子为媒介的铁磁性还是缺陷（氧空位、In间隙等）为媒介的铁磁性，仍存在较大争议。因此，如何有效地澄清In₂O₃稀磁半导体的磁性机制以及提高改体系的室温铁磁性能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Fe掺杂In₂O₃基稀磁半导体薄膜中掺杂Fe原子的局域结构、电子结构及其与缺陷间关系做了系统地研究，并进一步探讨了相关的磁、电输运性能，相关研究成果发表在2015年3月的《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Fe掺杂In₂O₃基DMS薄膜，饱和磁化强度随Fe掺杂浓度的增加而增强。利用北京同步辐射装置4B9A-衍射实验站开展了Fe-K边X射线吸收近边结构XANES谱测试，结合其多重散射理论计算表明，Fe以+2和+3混合价态替代In₂O₃晶格中的In₁位置，且第一近邻壳层存在氧空位缺陷结构。所有薄膜样品的导电机制在低温下符合Mott变程跃迁机制，载流子具有很强的局域性。随着Fe掺杂浓度的增加，磁电阻行为明显由负磁阻向正磁阻转变，反映了自旋极化的发生以及更强的s-d交换相互作用。氧空位缺陷为媒介的BMP模型能很好的解释磁性起源，随着Fe掺杂浓度的增加，薄膜样品中In³⁺-V_o-Fe²⁺或Fe³⁺-V_o-Fe²⁺结构也随之增加，可发生交叠作用的磁极子数量增加，有利于磁极子间发生交叠作用，最终薄膜样品的铁磁性随着Fe掺杂含量的增加而增强。相关研究将进一步发掘和完善对In₂O₃稀磁氧化物的认识，也为其在自旋电子器件方面的应用打下良好基础，并对未来量子信息技术的研究也都具有重要的科学意义。