CeO2基宽禁带稀磁氧化物的制备及相关性能研究

稀磁半导体是新一代自旋电子器件最为关键的基础材料。最新的研究表明过渡金属掺杂的宽禁带稀磁氧化物往往具有室温铁磁性。本项目以过渡金属掺杂宽禁带氧化物CeO2为研究对象，通过第一性原理计算探讨稀磁氧化物高温铁磁性起源的物理机制，给掺杂元素的选择和材料设计提供理论指导。在此基础上通过实验手段合成多种过渡金属掺杂的CeO2粉体、块材和薄膜，研究影响材料铁磁性能的实验因素，最终通过优化的材料配方、制备工艺得到具有高温铁磁性且性能稳定的CeO2基稀磁氧化物新材料，并对本材料的磁、光、电性能进行全面的测试，以探讨其潜在的应用。更进一步本项目还将首次提出并尝试研制基于室温稀磁氧化物的磁阻自旋阀、集成在Si基片上的自旋滤波器件以及集成在蓝宝石基片上的磁光器件，有望在稀磁氧化物的实际应用上取得突破。

本项目从材料设计理论入手，选择多种过渡族元素(V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni)掺杂的宽禁带氧化物CeO2体系为研究对象，通过对体系电子结构和态密度的计算，预测具有铁磁性的掺杂体系，并从理论上分析其铁磁性交换机制和起源问题，首次从理论上发现:在掺杂CeO2体系中磁性离子是通过氧空位产生的铁磁性耦合，符合氧空位诱导铁磁性交换耦合机制。在此理论的指导下，实验上采用平衡(固相烧结)和非平衡(磁控溅射，脉冲激光沉积)方法制备不同掺杂体系、不同浓度和共掺杂的CeO2基稀磁氧化物薄膜和块材，通过改变工艺条件、后处理退火等手段，最终得到具有室温铁磁性的Ce0.97Co0.03O2-δ块材和薄膜样品，其居里温度分别高达625K和760K。最后，采用四靶磁控溅射系统制备了具有不同中间层厚度的Ni(80nm)/Ceo.97Coo.o3O2-δ(dnm)/Co50Fe50(80nm)三层膜结构单元，并通过磁阻(MR)测试在d=5nm的样品中得到室温下5%的磁电阻，从而证明了Ce0.97Coo.o3O2材料的室温自旋过滤功能，展现出CeO2基稀磁氧化物材料在自旋相关器件中巨大的应用前景。基于本项目研究工作的开展，共发表研究论文16篇，其中SCI检索14篇。