中文摘要：

氧化物稀磁半导体在自旋电子器件和透明电子器件领域具有广阔的应用前景，然而多数氧化物半导体的p型掺杂存在困难，阻碍了高居里温度稀磁性的获得。目前，铜铁矿基氧化物是能够实现空穴掺杂并获得较高电导率的氧化物半导体之一。本项目拟以铜铁矿结构的CuCrO2为基质，通过引入3d过渡金属Mn、Fe、Co、Ni离子，实现高于室温的稀磁性；研究掺杂种类、浓度及占位情况对薄膜铁磁性和半导体性质的影响，阐明磁性起源及交换机制。具体用脉冲激光沉积法在蓝宝石基片上外延生长薄膜，通过X射线衍射、扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、X射线吸收精细结构、光电子能谱和穆斯堡尔谱，研究薄膜的微观结构，获得Cu、Cr位替代比例可控的稀磁半导体薄膜；研究不同替代情况下薄膜的磁性能与半导体性质，建立相应的规律，澄清交换机制，并通过带隙宽度的调整实现对居里温度的控制。研究结果将为探索新型实用的稀磁半导体材料体系提供重要的实验依据。

结论摘要：

氧化物稀磁半导体因其优异的磁、磁光和磁电等性能，在自旋电子器件和透明电子器件领域具有广阔的应用前景。据理论预测，磁性离子的铁磁耦合较易形成于p型半导体中。然而多数氧化物半导体的p型掺杂存在困难，阻碍了高居里温度稀磁性的获得。铜铁矿（ABO2）基氧化物是具有优良p型导电性的氧化物半导体之一，其中电导率最高的是CuCrO2薄膜（220 S cm-1），这对于以空穴为媒介的磁交换作用十分有利。按照预定方案，以CuCrO2为基质分别制备了3d过渡金属（Fe、Mn等）掺杂的纳米粉体、陶瓷块体和外延薄膜，逐步改善结构与性能，最终获得了具有稀磁特性、外延生长的p型氧化物半导体薄膜，实现了稳定的高居里温度（室温以上），良好的p型导电性，一定范围可调的光学带隙，以及较高的可见光透射率。采用多种方法对样品进行了晶体结构、表面形貌、价态占位及磁、电、光性质的表征与分析。系统研究了掺杂离子种类、浓度、占位（A、B位）及价态对磁、电、光性质的影响，包括磁化强度、居里温度、载流子类型、浓度及迁移率、电导率、可见光透射率和光学带隙等。并通过建立磁、电、光性质之间的内在关联，探讨了磁性起源和具体的磁交换机制及导电机制，探索出铜铁矿结构获得稀磁特性的一般规律。已发表SCI论文7篇，EI论文3篇，申请发明专利2项，培养硕士研究生6名。主要在Fe和Mn掺杂的系列中取得了比较理想的结果。利用脉冲激光沉积法制备出沿c轴准外延生长的高质量薄膜，兼具室温铁磁性和较高的p型电导率与可见光透射率。尤其是Fe的B位掺杂对磁性十分有利，随着Fe含量的增加，空穴浓度逐渐增大，p型电导率显著提高了1个多数量级，可达28 S cm-1；同时，Fe3+？Cr3+间产生了以空穴为媒介的超交换相互作用，使薄膜具有室温铁磁性，随着Fe含量的增加，饱和磁化强度逐渐增强，居里温度高达572 K，这可能是目前已报道的过渡金属掺杂CuCrO2材料中的最高值；薄膜在750 nm波长时的可见光透射率为65%~75%，光学带隙亦可受Fe掺杂浓度调控，变化幅度为3.8%。结果表明，利用过渡金属（Fe、Mn）部分取代B位的Cr是获得高性能CuCrO2薄膜的有效途径，其中Fe含量为15 at%的薄膜具有最高的p型电导率、饱和磁化强度和居里温度以及较高的可见光透射率，有望成为可应用于透明自旋电子器件的新型p型透明稀磁半导体材料。