[论文解读] Room temperature ferromagnetism in transparent and conducting Mn-doped $SnO_{2}$ thin films

Sushant Gupta, V. Ganesan+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2017

ZnO doping and properties参考文献 76被引用 3

一句话总结

本研究通过喷雾热解法在室温下制备了透明、导电的Mn掺杂SnO₂薄膜，并证实其具有铁磁性。薄膜表现出高电导率、可见光范围内的透光率（50–65%），以及高于350 K的居里温度，表明其在不依赖第二相贡献的情况下，具有作为氧化物基自旋电子器件的潜力。

ABSTRACT

The magnetization as a function of magnetic field showed hysteretic behavior at room temperature. According to the temperature dependence of the magnetization, the Curie temperature $(T_{C})$ is higher than 350 K. Ferromagnetic Mn-doped tin oxide thin films exhibited low electrical resistivity and high optical transmittance in the visible region (400-800 nm). The coexistence of ferromagnetism, high visible transparency and high electrical conductivity in the Mn-doped $SnO_{2}$ films is expected to be a desirable trait for spintronics devices.

研究动机与目标

• 在透明且导电的Mn掺杂SnO₂薄膜中实现室温铁磁性。
• 研究SnO₂基稀释磁性半导体中，铁磁性、高电导率和光学透明性共存的机制。
• 通过结构和磁性表征，排除第二相作为观测到的铁磁性来源的可能性。
• 关联缺陷化学，特别是H⁺缺陷，与掺杂SnO₂薄膜的电学和磁学性质。

提出的方法

• 采用喷雾热解法在450 °C下于玻璃基底上沉积Mn掺杂SnO₂薄膜，Mn浓度范围为0至15 at.%。
• 利用X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）确认其为四方晶系金红石相，且无第二相存在。
• 应用Williamson-Hall方法分析XRD数据中的晶粒尺寸和微观应变。
• 通过电阻率和霍尔测量确定载流子浓度和迁移率，识别出由H⁺缺陷引起的电离杂质散射。
• 利用吸收系数数据，通过Tauc作图法计算光学带隙。
• 在室温和温度依赖条件下测量磁滞回线，以确定居里温度（T_C）和铁磁行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mn掺杂能否在透明SnO₂薄膜中诱导出稳定且高温的铁磁性？
• RQ2 Mn掺杂SnO₂中的铁磁性来源是什么——缺陷介导机制还是第二相？
• RQ3 Mn掺杂如何影响SnO₂薄膜的电导率和光学透明性？
• RQ4 Mn掺杂SnO₂薄膜的居里温度是多少？是否超过室温？
• RQ5 H⁺缺陷在多大程度上影响掺杂薄膜的电学和磁学性质？

主要发现

• Mn掺杂SnO₂薄膜在室温下表现出清晰的磁滞回线，证实了铁磁行为。
• 薄膜的居里温度（T_C）高于350 K，表明具有强健的室温铁磁性。
• 电阻率较低，载流子浓度和迁移率与以H⁺缺陷引起的电离杂质散射为主导的n型导电一致。
• 在可见光范围（400–800 nm）内的光学透光率在50%至65%之间，表现出高透明度。
• XRD和TEM分析证实未检测到MnO、Mn₂O₃、Mn₃O₄或SnMn₂O₄等第二相，排除了由相引起的铁磁性。
• 随着Mn掺杂浓度增加，观察到光学带隙发生红移，归因于sp载流子与Mn d电子之间的强交换相互作用。