[论文解读] (La1-xBax)(Zn1-xMnx)AsO: A Two Dimensional "1111" Diluted Magnetic Semiconductor in Bulk Form

Cui Ding, Huiyuan Man+23 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2013

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 7

一句话总结

本文报告了块体 (La₁₋ₓBaₓ)(Zn₁₋ₓMnₓ)AsO 的成功合成，这是一种具有层状晶体结构的二维 '1111' 稀释磁半导体，其结构与铁砷基超导体类似。通过 Ba 掺杂实现空穴掺杂并引入 Mn 掺杂后，居里温度 T_C ≈ 40 K 处出现铁磁有序，该结果通过μ子自旋松弛测量得到验证，表明其在整个样品体积内具有均匀的磁有序性，这是第三种与铁基超导体具有直接结构关联的块体 DMS 系统。

ABSTRACT

We report the synthesis and characterization of a bulk diluted magnetic semiconductor (La1-xBax)(Zn1-xMnx)AsO (0 <= x <= 0.2) with a layered crystal structure identical to that of the "1111" FeAs superconductors. No ferromagnetic order occurs for (Zn,Mn) substitution in the parent compound LaZnAsO without charge doping. Together with carrier doping via (La,Ba) sub- stitution, a small amount of Mn substituting for Zn results in ferromagnetic order with TC up to ~40 K, although the system remains semiconducting. Muon spin relaxation measurements confirm the development of ferromagnetic order in the entire volume, with the relationship between the internal field and TC consistent with the trend found in (Ga,Mn)As, the "111" Li(Zn,Mn)As, and the "122" (Ba,K)(Zn,Mn)2As2 systems.

研究动机与目标

• 开发一种晶体结构与铁砷基超导体相似的块体稀释磁半导体（DMS），以提高材料稳定性与探测兼容性。
• 研究通过 Ba 掺杂引入的载流子与通过 Mn 掺杂引入的磁矩之间在半导体基体中诱导铁磁性的相互作用。
• 利用 μ子自旋松弛（μSR）及其他磁性探测手段，确认块体形式中存在均匀的铁磁有序。
• 建立铁砷基超导体与其 DMS 对应物之间的结构与电子相似性，为未来自旋电子器件应用提供基础。

提出的方法

• 通过在 1150 °C 下进行 40 小时的固相反应，合成多晶 (La₁₋ₓBaₓ)(Zn₁₋ₓMnₓ)AsO 样品，并缓慢冷却。
• 利用 X 射线衍射和 SQUID 磁力仪确认相纯度与磁性转变。
• 采用四探针法测量烧结多孔样品的电阻率，以确认其半导体行为。
• 采用零场 μ子自旋松弛（ZF-μSR）探测低温下铁磁有序的起始与均匀性。
• 从 μSR 数据中提取 2 K 时的内磁场参数 a_s，以关联不同 DMS 系统中的 T_C。
• 将数据与现有 DMS 系统（如 (Ga,Mn)As、Li(Zn,Mn)As 和 (Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂）进行比较，评估自旋交换作用的普遍趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否合成一种块体、二维 '1111' 稀释磁半导体，其晶体结构与铁砷基超导体相匹配？
• RQ2 在 LaZnAsO 中通过 Ba 掺杂实现空穴掺杂，结合 Mn 掺杂后是否能诱导出铁磁有序，即使在未掺杂的母体化合物中不存在铁磁性？
• RQ3 通过 μSR 确认，(La₁₋ₓBaₓ)(Zn₁₋ₓMnₓ)AsO 中的铁磁有序是否在整个样品体积内均匀分布？
• RQ4 与其它 DMS 材料相比，该体系中居里温度 T_C 与局域磁场参数 a_s 之间存在何种关系？
• RQ5 所观测到的磁性和输运性质是否表明在结构相关的 DMS 系统中，铁磁交换相互作用具有共同起源？

主要发现

• 通过 μ子自旋松弛测量证实，(La₁₋ₓBaₓ)(Zn₁₋ₓMnₓ)AsO 中建立了铁磁有序，居里温度 T_C 最高可达约 40 K。
• 当 Mn 浓度高达 x = 0.20 时，该体系仍保持半导体特性，表现出显著的磁滞回线及约 1 T 的矫顽场。
• 零场 μSR 测量证实了在几乎整个样品体积内形成了静态铁磁有序，未发现自旋玻璃行为的迹象。
• 剩余磁化强度约为每个 Mn 原子 1 个玻尔磁子，表明其为铁磁基态而非自旋玻璃态。
• 在多个 DMS 系统（包括 (Ga,Mn)As、Li(Zn,Mn)As、(Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂ 和本研究中的 (La,Ba)(Zn,Mn)AsO）中，观察到静态内磁场参数 a_s 与 T_C 之间近乎线性相关。
• 普遍存在的线性趋势表明，这些结构相关的 DMS 材料中，铁磁交换相互作用具有共同起源，且其强度量级相近。