新型稀磁半导体(La1-xBax)(Ag1-yMny)SO光学性质第一性原理计算及实验研究

来源 :中国计量大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaoxin_1
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随着信息时代科学技术的飞速发展,对于信息的传输、处理及存储能力提出了更高的要求。稀磁半导体兼具电子的自旋与电荷的双重属性,对于制备自旋光电器件具有重要的意义。新型稀磁半导体是在铁基超导体的基础上,采用电荷与自旋分别注入的方式,实现了电荷与自旋的独立调控。近年来,随着对铁基超导体的研究深入,发现和制备了几类重要的新型稀磁半导体,主要有―111‖相,―122‖相以及―1111‖相等。  本文基于密度泛函理论的第一性原理计算,采用 Material Studio 软件中的CASTEP 模块对(La1-xBax)(Ag1-yMny)SO 体系的多组样品分别进行建模、计算电子结构和光学性质(包括吸收系数,反射系数和介电常数等)。并着重分析讨论了其光学性质变化。另外实验上制备了 (La1-xBax)(Ag0.925Mn0.075)SO (x=0,0.025,0.05,0.075)体系,并进行结构、低温电阻、磁化曲线及 PL测量,初步说明当 Ba掺杂量为 0.075时,可能为新型稀磁半导体。具体如下:  1.首先对于未掺杂的 LaAgSO 母体进行第一性原理计算,通过与已有的实验参数和文献报道结果比较,说明了计算方法的可靠性。光学性质计算显示:纯相的 LaAgSO材料的反射率和吸收系数都存在非常明显的峰值,分别处于65nm以及150nm,母体静态介电常数为 6.5。  2. 对 于 双 位 等 量 掺 杂 的 (La0.75Ba0.25)(Ag0.75Mn0.25)SO 和(La0.875Ba0.125)(Ag0.875Mn0.125)SO 体系, Ba 离子掺杂 La 离子位引入电荷, Mn离子掺杂 Ag离子位引入自旋,分别构建 2×1×1和 2×2×1晶胞,找出掺杂后的最优化结构,据此考虑自旋后计算体系的能带结构和态密度,进而计算并分析了光学性质。结果显示:La0.75Ba0.25Ag0.75Mn0.25SO 反射峰位于67nm(约6%)和 150nm(约 95%),吸收峰位于 67nm(1.1×105/cm)和 175nm ( 2.25×105/cm ) , 静 态 介 电 常 数 为 5.8 ; 对(La0.875Ba0.125)(Ag0.875Mn0.125)SO体系,反射峰位于 70nm(约 2%)和 175 nm(约85%),吸收峰位于 70nm(4×104/cm)和 180nm(1.6×105/cm),静态介电常数为 4.6。比较发现,掺杂后反射和吸收峰位置都发生―红移‖。  3. 通 过 比 较 LaAgSO 、 (La0.75Ba0.25)(Ag0.75Mn0.25)SO 和(La0.875Ba0.125)(Ag0.875Mn0.125)SO反射系数,吸收系数和介电常数发现:即无论是三者的反射系数、吸收系数,还是静态介电常数,不掺杂的母体最高,反而共掺杂量为 0.125 时最低,掺杂量为 0.25 时居中,原因可能是La位掺 Ba和 Ag位掺 Mn对光学性质的影响是相反的。考虑到新型稀磁半导体中双位掺杂是动态互相影响的,即只掺 Ba或只掺 Mn 都不形成铁磁相,只有电荷和自旋二者同时掺杂,且掺杂到一定程度时才会形成新型稀磁半导体。我们又设计并计算了另两个体系的光学性质:(La0.75Ba0.25)(Ag0.875Mn0.125)SO和(La0.875Ba0.125)(Ag0.75Mn0.25)SO。  计 算 结 果 为 : 在 Mn2+ 掺 杂 量 都 为 0.25 时 , 比 较(La0.875Ba0.125)(Ag0.75Mn0.25)SO和(La0.75Ba0.25)(Ag0.75Mn0.25)SO,发现 Ba2+离子掺杂量增加(从 0.125到 0.25)会大幅拉高吸收系数峰值;而在 Ba2+离子掺杂量都为 0.125 时,比较(La0.875Ba0.125)(Ag0.75Mn0.25)SO 和(La0.875Ba0.125)(Ag0.875Mn0.125)SO ,发现此时随着 Mn2+离子增加(从 0.125到0.25),吸收峰值明显减小。这也进一步说明对于光学性质,新型稀磁半导体双位掺杂也是动态互相影响、互相制约的。  4.实 验 上 利 用 固 相 反 应 法 制 备 了 (La1-xBax)(Ag0.925Mn0.075)SO (x=0,0.025,0.05,0.075)体系,样品在 XRD 精度范围内为纯相。低温电阻测量说明其均为半导体,磁化曲线和磁滞回线测量结果表明(La0.925Ba0.075)(Ag0.925Mn0.075)SO 确为稀磁半导体,且居里转变温度约为140K。PL 谱表明在固定 Mn 含量为 0.075, 随 Ba 掺杂量增加,峰型半高宽增加,强度降低。
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