物理所等高壓制備出發光磁性半導體

磁性半導體具有特殊的磁電和磁光性質，是先進多功能自旋電子器件的重要候選材料。然而，大多數磁性半導體，如磁性離子摻雜的稀磁半導體以及EuO、CdCr2S4等非摻雜的本徵鐵磁半導體，均具有低於室溫的磁有序溫度，這限制了這類材料的潛在應用。因而，如何製備出具有室溫以上磁有序溫度且磁、光、電等功能屬性耦合在一起的磁性半導體材料是具有挑戰性的研究方向。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M08組研究員龍有文團隊在高壓制備的簡立方鈣鈦礦SrCr0。5Fe0。5O2。875（SCFO）中，發現臨界溫度達600 K的磁有序相變，該體系具有約2。3 eV的直接半導體帶隙，並展示出磁場可調的綠色發光效應。

SrCrO3與SrFeO3是兩個已知的反鐵磁金屬材料，均具有簡立方鈣鈦礦結構，理論計算表明，在布里淵區的一些高對稱點形成空穴型的導電費米袋能帶結構，而費米麵附近主要由氧的2p軌道佔據。因此，在這些體系中引入氧空位，有望調控載流子濃度及能帶結構，從而實現金屬到半導體/絕緣體的轉變。利用高壓高溫實驗條件，研究人員製備出等摩爾Cr/Fe固溶比例的氧空位材料SrCr0。5Fe0。5O2。875。結構分析表明，該材料結晶為簡單立方鈣鈦礦（空間群：Pm-3m），Cr與Fe在B位完全無序分佈，由於氧空位的引入，相比SrCrO3和SrFeO3，其晶格常數略有增大。基於同步輻射X射線吸收譜，Fe的化合價態被確定為單一的Fe3+態，Cr具有平均的Cr4。5+態，該混合價態由3：1的Cr4+與Cr6+組成。雖然等化學劑量比的母體相SrCrO3和SrFeO3均具有較低的磁有序溫度（3+-O-Fe3+超交換作用導致的反鐵磁有序，其弱鐵磁性源自Fe3+自旋的傾斜及可能的Fe3+-O-Cr4+鐵磁超交換作用。SCFO的電阻-溫度關係遵循三維Mott變程跳躍模型，且紫外-可見光區域的反射譜在545。5 nm附近出現尖銳的吸收峰，吸收係數與能量的關係符合Tauc和Davis-Mott模型的直接躍遷關係，並擬合得到直接帶隙約為2。3 eV。研究表明，SCFO具有直接帶隙半導體特徵，且能隙在可見光範圍，預示存在可能的發光效應。研究人員利用藍光作為激發光源，發現SCFO在較大波長範圍內的綠色發光現象；根據光譜特徵，推斷其發光效應主要來自d-p成鍵態與反鍵態的帶間躍遷。由此可見，3d過渡金屬離子參與磁有序，且具有光致發光效應。因而，透過外加磁場，可在一定程度上實現材料發光強度的調控。相比目前廣泛研究的非磁性有機-無機雜化鹵素鈣鈦礦發光材料，高壓制備的SCFO具有環境穩定性（如耐潮、耐酸、耐鹼、耐高溫等）和遠高於室溫的磁有序，其高溫弱鐵磁性與發光效應的耦合有望開拓室溫磁性發光材料的研究新方向。

相關研究成果以High-temperature ferromagnetic semiconductor with a field-tunable green fluorescent effect為題，發表在NPG Asia Materials上，被選為“Featured Article”。研究工作的合作者包括南京理工大學教授李志，中科院強磁場實驗室研究員盛志高，物理所研究員禹日成、邱祥岡、孟慶波等。研究工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院等專案的支援。

論文連線

圖1。本工作被NPG Asia Materials選為Featured Article進行重點推薦

圖2。SCFO的磁性測試結果，展示了高達600 K的弱鐵磁有序

圖3。SCFO的光學性質，展示了直接帶隙半導體特徵，帶隙約為2。3 eV

圖4。SCFO較大波長範圍內的光致發光效應及磁場對發光強度的調控

【來源：物理研究所】

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