Ho掺杂CuO阶梯结构的光致发光与室温铁磁性：稀磁半导体材料的新突破

本文报道了一种化学气-液相沉积结合辅助加热法合成Ho掺杂CuO（CuO:Ho）阶梯结构的新策略。研究发现，CuO:Ho材料展现出显著增强的室温铁磁性（RTF），其饱和磁化强度（Ms）随Ho3+掺杂浓度呈抛物线趋势变化（最高达0.0595 emu·g?1）。通过第一性原理计算揭示了铁磁性源于O 2p、Cu 3d与Ho 4f轨道的交换作用，为自旋电子器件（spintronics）提供了新型界面调控平台。

　　

摘要

通过创新的化学气-液相沉积与辅助加热技术，成功制备了具有阶梯结构的Ho掺杂CuO（CuO:Ho）稀磁半导体（DMS）材料。该材料展现出独特的室温铁磁性（RTF）和光致发光特性，其饱和磁化强度（M_s）在Ho³⁺掺杂浓度为0.88%时达到峰值0.0595 emu·g^?1，矫顽力为90.5 Oe。理论计算表明，磁性源于Ho 4f电子与氧空位的协同作用，为自旋电子器件开发提供了新思路。

1 引言

稀磁半导体（DMS）因其在自旋电子学中的潜力备受关注。传统DMS如Mn掺杂GaN存在磁性元素偏析问题，而稀土掺杂（如Ho³⁺）可通过4f电子调控磁学性能。CuO作为过渡金属氧化物（TMO），其单斜晶系结构和强电子关联效应为磁性调控提供了独特平台。本研究通过精确控制Ho掺杂浓度和氧空位，实现了CuO铁磁性的显著增强。

2 结果与讨论

阶梯结构生长机制：PVP辅助的H₂S气相反应形成CuS:Ho³⁺前驱体，经退火后通过螺旋位错机制生长为阶梯结构（图1）。XRD证实Ho³⁺成功掺入CuO晶格，引起晶格膨胀（图2a-b）。

光学性能：UV-Vis显示Ho掺杂使吸收边红移，带隙从2.18 eV（纯CuO）降至1.89 eV（CuO:Ho-5），归因于Ho 4f能级的引入（图2h）。光致发光（PL）谱在460 nm和485 nm处出现Ho³⁺的特征发射峰（⁵F₁→⁵I₈和⁵F₂→⁵I₈），荧光寿命短至0.31 ns，适合纳秒激光应用（图3）。

磁性调控：VSM测试显示CuO:Ho-3的M_s比纯CuO提高12倍，ZFC/FC曲线证实其室温铁磁性（图4-5）。第一性原理计算表明，Cu₂₂Ho₂O₂₃模型的磁矩达1.494 μB，源于O 2p-Cu 3d-Ho 4f轨道杂化（图6）。电荷密度分布显示Ho掺杂引起电子局域化，促进自旋极化（图8）。

3 结论

该工作通过Ho掺杂和氧空位协同调控，实现了CuO阶梯结构的铁磁性增强与光学性能优化。其明确的界面特性为自旋注入器件设计提供了理想平台，在生物成像、磁存储和光电器件中具有应用潜力。

4 实验方法

采用Cu(CH₃COO)₂和Ho(CH₃COO)₃为前驱体，PVP为模板剂，通过H₂S气相反应和820°C退火制备样品。表征手段包括XRD、SEM、XPS、VSM等，理论计算采用VASP软件包（GGA+U方法）。