磁性半导体具有特殊的磁电和磁光性质,是先进多功能自旋电子器件的重要候选材料。然而,大多数磁性半导体的磁有序温度远低于室温,大大限制了这类材料的潜在应用。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M08组龙有文研究员团队在高压制备的简立方钙钛矿SrCr0.5Fe0.5O2.875(SCFO)中,发现了临界温度高达600 K的磁有序相变,该体系具有约2.3 eV的直接半导体带隙,并展示了磁场可调的绿色发光效应。
SrCrO3与SrFeO3是两个已知的反铁磁金属材料,均具有简立方钙钛矿结构,理论计算表明在这些体系中引入氧空位有望调控载流子浓度以及能带结构,从而实现金属到半导体/绝缘体的转变。利用高压高温实验条件,M08课题组率先制备了等摩尔Cr/Fe固溶比例的氧空位材料SrCr0.5Fe0.5O2.875。结构分析表明该材料同样结晶为简单立方钙钛矿(空间群:Pm-3m),且Cr与Fe在B位是完全无序分布的。
基于同步辐射X射线吸收谱,Fe的化合价态被确定为单一的Fe3+态,而Cr具有平均的Cr4.5+态。SCFO在高达600 K的临界温度展示出铁磁类似的相变;进一步磁滞回线展现了几乎不随温度变化的矫顽力场(约0.2 T)。
SCFO的电阻-温度关系遵循三维Mott变程跳跃模型,且紫外-可见光区域的反射谱在545.5 nm附近出现尖锐的吸收峰,吸收系数与能量的关系符合Tauc和Davis-Mott模型的直接跃迁关系,并拟合得到直接带隙约为2.3 eV。实验上,通过利用蓝光作为激发光源,研究团队发现了SCFO在较大波长范围内的绿色发光现象,并根据光谱特征推断其发光效应主要来源于d-p成键态与反键态的带间跃迁。
高压制备的SCFO具有很好的环境稳定性以及远高于室温的磁有序,其高温弱铁磁性与发光效应的耦合有望开拓室温磁性发光材料研究的新方向。相关研究结果发表在近期的NPG Asia Materials上,并且被选为“Featured Article”,以“Semiconductors:Maintaining magnetism at high temperature”为主题进行重点推荐。