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磁性物质在现代各种电子、信息器件中有广泛应用,随着越来越多新的磁现象的出现,相关材料的应用和机制的研究方兴未艾。物质的不同磁性质来源于其内部磁性原子在不同情况下的耦合机制,随着科学研究的深入,人们在不同基质材料、不同尺度及不同配位结构中发现了更多的新型耦合机制。在本文中,我们选择了磁性原子在半导体基质中、磁性原子在具有几何失措晶格中和磁性原子在纳米材料中三个体系来探索、研究新型磁性材料及耦合机制。
论文的第一部分是:Co:ZnO稀磁半导体单晶的生长、磁性研究和耦合机制分析等。各种自旋电子学器件需要利用稀磁半导体(DMS)的诸多特殊磁性质,而应用要求相关DMS材料需具有高的居里温度。现在的问题是传统的超交换和双交换理论在低磁性离子浓度时无法解释长程磁有序的产生,而常见的粉体和薄膜样品,由于其中的杂相和磁性团簇对铁磁性来源机制的影响无法排除,成为继续研究和应用的一大障碍,这迫切需要制备出克服了前述影响的单晶样品来。
总结前人的工作,Co掺杂ZnO有较大的溶解度限,这使我们选择Co:ZnO体系进行研究。由于水热法具有的特殊优势,我们采用水热温差法来生长制备过渡金属掺杂的ZnO基DMS体单晶样品,为此我们对生长设备进行了多次改进,通过控制掺杂物量,生长得到掺杂的样品,并以同样方式生长的 ZnO体单晶以作对比。我们对所得样品利用XRD进行物相结构分析,采用ICP进行样品的元素含量分析,随后利用SEM-EDX确证ICP结果,最后从AES元素分布图、UV吸收光谱,以及同步辐射XANES谱和EXAFS谱,表明我们获得的是均匀掺杂的Zn0.95Co0.05O体单晶,Co2+在样品中取代了Zn2+原子的位置,最后进行的磁性测量与分析显示样品在2～300K为顺磁性,并且有明显磁晶各向异性,我们认为其来源于ZnO中的四面体晶场配位的Co2+的单离子各向异性,这在实验上首次对BMP理论一致。
第二部分:新型磁自旋几何失措材料的晶体生长、结构解析与性质研究。目前磁性原子在具有几何失措晶格中的研究是凝聚态物理的前沿领域,相关体系中不断发现异常的基态磁性质,其中一类新的几何失措体系M2X(OH)3[M=Mn,Fe,Co,Ni,Cu etc.,X=Cl,Br]近年来被发现具有磁自旋的有序和无序共存。M2X(OH)3中半数只有粉末结构数据,与DMS类似,其诸多性质的研究依赖于体单晶的制备。我们通过水热生长得到MD2Cl(OH)3的mm级体单晶,对其进行了解构解析,获得了精确的晶体结构参数,并进行了磁性表征和热分析等测试。该物质同型系列物如Mn2Br(OH)3等同样尚无单晶结构数据,相关制备和解析,以及进一步地低温特异磁转变的研究亦有待进行。
第三部分:纳米级超顺磁Y-Fe2O3:Tb-SiO2的磁光Sol-Gel研究。磁性材料纳米化以后具有什么的磁性表现,或者纳米材料具有什么样的磁性质,这是一个颇为引人关注的话题。基于我们的实验条件并结合应用,我们力图通过两条制备途径获得实用化的纳米磁光材料:纳米复合,通过制备超顺磁Y-Fe2O3:Tb-SiO2玻璃中进行纳米级的分散,制备出纳米复合物,以实现制备高Verdet常数的透明磁光玻璃的目的。我们的探索并未获得满意的纳米复合物样品,尚有诸多实验条件需要进一步选择、优化。另外成膜手段也在我们的准备之中,有望达到预期的良好目标样品。