Fe离子价态和占位对Fe掺杂In_2O_3稀磁半导体铁磁性的影响.pdf

Fe掺杂In_2O_3稀磁半导体的铁磁性主要受到Fe离子的价态和占位的影响。在In_2O_3晶体结构中，存在两种不同的八面体阳离子晶位，即24d和8b晶位，比例为3:1。Fe3+离子倾向于占据8b晶位，但这种占据对室温铁磁性并无贡献。相反，Fe2+离子可以通过氧空位的诱导，更倾向于占据24d晶位，而这正是室温铁磁性的来源。 Fe2+离子在24d晶位时，其4s电子和3d电子的杂化是产生铁磁性的关键。这是因为杂化使得电子的自旋能级分裂，从而产生磁矩，导致材料的铁磁性。氧空位在这里起到了至关重要的作用，它们不仅促进了Fe2+离子的形成，还可能影响载流子的性质，间接影响磁性。 近年来，稀磁半导体因其在自旋电子器件中的潜在应用而备受关注。自旋电子器件利用电荷和自旋两个自由度，有望实现更高效率、更低功耗和非易失性的电子设备。Fe掺杂In_2O_3作为稀磁半导体的一种，因其高电导率、高透明度、高铁磁居里温度和高自旋极化率等特性，成为研究焦点。 关于Fe掺杂In_2O_3的铁磁性来源，研究者们进行了广泛探讨。一些研究表明铁磁性与氧空位、Fe离子价态以及自旋极化的载流子有关，而其他研究则认为铁磁性主要由Fe离子价态决定，与氧空位的关系并不直接。例如，Yan等人通过F离子掺杂控制Fe离子价态，发现即使没有氧空位，只要Fe离子呈现+2和+3混合价态，系统仍会显示铁磁性。 实验方法通常涉及溶胶-凝胶法制备多晶Fe0.15In0.85_2O3粉末，经过特定温度的退火处理以引入氧空位。通过X射线衍射（XRD）分析和穆斯堡尔谱测量，可以表征样品的结构和磁性特性。Rietveld全谱拟合用于精确分析XRD图谱，进一步理解Fe离子的分布和价态。 总之，Fe掺杂In_2O_3稀磁半导体的铁磁性主要由Fe2+离子在24d晶位的4s和3d电子杂化引起，氧空位在此过程中起到促进Fe2+形成和影响载流子性质的作用。通过精细控制氧空位含量和掺杂离子价态，可以实现对磁性的调控，这对于发展新型自旋电子器件具有重要意义。