DMS中极性室温铁磁性的电子结构起源

KEVIN R. KITTILSTVED, WILLIAM K. LIU AND DANIEL R. GAMELIN*

Department of Chemistry, University of Washington, Seattle, Washington 98195-1700, USA

*e-mail: Gamelin@chem.washington.edu

摘要：
未来基于稀磁半导体（DMSs）的自旋电子技术将在很大程度上取决于对这类材料铁磁性微观起源的彻底理解。宽禁带 DMS室温铁磁性的发现显示了诱人的前景。但人们对这种铁磁性仍然所知甚少。这里我们证明了电子结构与TM2+:ZnO型DMS的极性室温铁磁性之间有着 密切联系（TM2+表示3d族过渡金属离子）。根据施主受主型激发态能量预言的3d族TM2+:ZnO型DMS有可能产生铁磁性也得到了相关实验结果。这 些结果为n型和p型铁磁性氧化物DMS的理解提供了统一的基础。

稀磁半导体（DMSs)由于其在基于自旋的信息处理技术中新器件应用方面的潜力正引起人们强烈的兴趣。对于实用的自旋电子应用，铁磁性DMS大大超 出室温的居里温度（Tc)是必须的。关于GaN和ZnO稀磁半导体的高Tc铁磁性的理论预测激起了发展这些相关宽禁带材料的兴趣。在许多方面，ZnO是典 型的宽禁带半导体。与其他被当作DMS的氧化物（例如TiO2和SnO2）相比，ZnO因其广泛的系统实验和数据分析可能而更有实验价值。定义清晰的掺杂 和缺陷化学性质，适宜透明的高能高温应用，和紫外波段的激光性能都使ZnO在很多潜在的器件应用上更具吸引力。对自旋电子应用而言，n型ZnO相对较长的 室温自旋一致时间是有力的。另外，生成低电阻的n型和p型ZnO的潜力使基于ZnO的双极性自旋电子更具有现实意义。而且在这一点上，ZnO DMS中空穴和电子媒介的铁磁性报道都是有价值的。然而，这种高居里温度铁磁性的微观起源仍然不为人所知。对于相关器件功能的应用来说，关于宽禁带DMS 高居里温度铁磁性的详细理解是必要的。这一类的研究发展已经成为现代磁学最重要的挑战。

在本文中，我们证实了ZnO中的铁磁性与磁性杂质离子的电子结构是密切相关的。电子吸收(Electronic Absorbtion)，磁性圆二色散（Magnetic Circular Dichroism ,MCD)， 和光电反应光谱（Photocurrent Action Spectroscopies)被用来鉴别和排列源于掺杂的施主与受主型离子化激发态，并分析这些载流子媒介的铁磁性相关状态的属性。对铁磁性 Co2+:ZnO(n型)和Mn2+:ZnO(p型)预言并观测到的反极性有重要价值。通过考虑实验校准的激发态能量和构型作用，人们预言了跨3d族n型 和p型TM2+:ZnO DMS的铁磁性趋势，并与实验结果作了比较。预言的趋势成为了显著的实验热点，确认了施主和受主的激发态构型在TM2+:ZnO DMS，甚至是更广泛的宽禁带DMS族中的重要作用。

TM2+:ZnO DMS铁磁性的实验趋势

许多小组已经报道了TM2+:ZnO DMS的铁磁性（参考文献3）。为了尽量减少可能的实验误差，一些小组比较了同样条件下制备的不同TM2+:ZnO DMS样品。Ueda et al.检测了用激光脉冲沉积(PLD)制备的一系列n型TM2+:ZnO（TM2=Co2+,Mn2+,Cr2+和Ni2+)薄膜。高Tc铁磁性只在 Co2+掺杂薄膜中观测到。Venkatesan和同事们用激光脉冲沉积制备了更广范围内的n型ZnO DMS并观测到在300k温度下铁磁性饱和力矩的两个峰值：一个是在Co2+:ZnO (d7)，另一个是V2+:ZnO (d3)。Mn2+:ZnO (d5)无论是在样品制备条件下还是实验室条件下都几乎不显铁磁性。

(未完不续）

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帮学姐翻译的论文，翻了一点不想翻了。华科本科生毕设真变态每人必须翻译五千字。我一时技痒就答应下来了。正好这篇文章我也看过——去年一个学期就在看这种东西，真是纠结。从语言到学术都一头雾水。放在这里也让大家了解一下我的“研究方向”（真是眼子）。

翻学术论文跟翻新闻还真是区别很大，头痛。为什么我翻出来这么晦涩难懂呢？

原文在这里