基于铁基超导体系掺杂调控的新型稀磁半导体研究

Diluted magnetic semiconductors (DMSs) have attracted increasing attention because of their potential applications in spintronics. Many efforts are devoted to obtain intrinsic ferromagnetism with Curie temperature above room temperature. Recently, a new bulk DMS material was synthesized by doping in the 122 system of iron-based superconductor (Fe-SC), which sheds light on the DMS research. In this project, we will first focus on synthesizing 1111,111,122 and new 11 phases of Fe-SCs based DMS materials with high Curie temperature by doping. Second, much more attention to be paid to clarify the intrinsic mechanism for the magnetic divergence among the new DMS（Ba,K)(Zn,Mn)2As2, Fe-SC（Ba,K)Fe2As2,and antiferromagnetic semiconductor BaMn2As2 which have the same crystal structure, especially the relationship between fine structure of the materials and the magnetic ordering . Finally, we will try to fabricate atomic layer controlled (Ba,K)(Zn,Mn)2As2 DMS thin film and its heterojunctions by laser-assisted molecular beam epitaxy technique, and investigate the interface structure. The fulfillment of this project will provide new insights on the fabrication and application of devices based on junctions with various combinations of these states.

稀磁半导体因在自旋电子学中的潜在应用而受到广泛关注。寻找具有本征铁磁序、高于室温居里温度的新型材料一直是努力的方向。最近在铁基超导体122体系中通过掺杂调控合成了新型稀磁半导体材料，开辟了新的研究方向。本项目拟：（1）利用固态反应法，在铁基超导体主要体系中（1111、122、111和新11相等），通过掺杂调控探索获得更高居里温度的新型稀磁半导体；（2）理清新型稀磁半导体、铁基超导体和反铁磁半导体（（Ba,K)(Zn,Mn)2As2、（Ba,K)Fe2As2和BaMn2As2）"同型不同磁"的内在机制，着重研究材料精细结构对磁性行为的影响规律；（3）利用激光辅助分子束外延技术，制备原子级可控的（Ba,K)(Zn,Mn)2As2薄膜及其异质结构，采用实验和第一性原理相合的方法，研究其界面结构，为实现基于磁性、超导和半导体多功能异质结提供理论参考和技术支撑。

基于铁基超导体系掺杂调控的新型稀磁半导体具有自旋和电荷分离调控、易于合成体材料和制备多功能异质结等诸多优异性能，其研究近年受到广泛关注。本项目利用XRD和中子散射，PPMS, MPMS和PL谱等多种测量手段和第一性原理计算方法，在新型稀磁半导体及相关材料合成和磁性机理及光电性能研究方面主要做了以下工作：（1）探索合成新型稀磁半导体。利用固态反应法制备了多种掺杂量的(La,AE)(Ag0.925Mn0.075)SO(AE=Sr,Ba)和(Y,AE)(Cu0.925Mn0.075)SO (AE=Sr,Ba)体系，经过反复的合成和物性测量，最后合成了居里转变温度Tc约为140K的(La0.925Ba0.075)(Ag0.925Mn0.075)SO稀磁半导体。第一性原理计算表明 ，Ba和Mn离子双位掺杂对光学性质和铁磁性的影响是动态互相影响的。（2）新型稀磁半导体磁性机理研究。针对机理研究中的关键问题-高质量单晶制备和中子实验确认内禀磁性开展研究，成功制备122相的大尺寸SrFe2As2单晶（长度约2cm），中子散射实验观察到电子条纹相；在1111相合成了LnNiAsO(Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm)多晶体系，理清了“同型不同磁"的内在机制，加深了对稀磁半导体、半导体和超导体中多种磁性的理解。（3）积极开展了BiS2（BiSe2）基新型超导体的研究。通过不同元素掺杂合成了四种BiS2（BiSe2）基新型超导体，系统地研究了其电子输运性质，建立了相应的电子相图。不同于BiS2基超导体，BiSe2基超导体的超导的其正常态不是从半导体行为而是从金属行为转变而来的。在Sr0.5Ce0.5FBiS2超导体中，观察到了超导和铁磁共存的稀有现象。（4）利用激光辅助分子束外延技术（PLD）制备了非极性ZnO基薄膜。制备了Co、Ga共掺杂和Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体薄膜，研究掺杂对薄膜生长极性、光学、电学和磁学性质的影响，实现了在非晶衬底生长非极性ZnO基薄膜。这些工作拓展了新型稀磁半导体的研究方法，加深了对其磁性机理的理解。不仅对设计制备多功能异质结和自旋电子学器件有一定参考价值，同时对新超导体系的探索和超导起源的研究也有一定参考作用。