强磁半导体领域的新突破：用于先进多功能技术的掺钇和掺锗钙钛矿

《Journal of the Indian Chemical Society》：A new frontier in robust magnetic semiconductors: Yttrium- and germanium-incorporated CaTiO3 for advanced multifunctional technology

　　

Ghayah M. Alsulaim|Shada A. Alsharif

• •
  新型铁磁YGe-CaTiO₃半导体
• •
  Ca_0.97Y_0.03Ti_0.97Ge_0.03O₃具有强磁序（1.71埃姆/克）
• •
  F心与束缚磁极化子
• •
  用于先进多功能自旋电子学的潜在组分

引言

自旋传输电子学是一项前沿技术，它利用电子的固有自旋以及电荷来提升数据处理和存储能力[1]、[2]。与传统仅依赖电子电荷的电子设备相比，这种创新方法可实现更快速的信息处理、非易失性数据存储以及更高的效率[1]、[3]。通过同时利用电荷和自旋特性，自旋电子学有望革新计算机和数据管理领域的诸多应用[4]。该领域的重要材料包括过渡金属氧化物[5]、[6]、钙钛矿[7]、双钙钛矿氧化物[8]以及二维磁性材料[9]，这些材料被研究用于开发高效的自旋电子学器件，从而实现更低的能耗以及更好的内存和逻辑应用性能。诸如BiFeO₃ [10]、[11]、BaTiO₃ [12]、BaSnO₃ [13]、SrTiO₃ [14]、SrZrO₃或SrSnO₃ [15]以及CaTiO₃ [16]等钙钛矿，因其独特的结构特性以及有效操控自旋状态的能力，越来越被视为自旋电子学领域的理想材料，有助于推动节能电子设备的研发。CaTiO₃是一种典型的钙钛矿材料，具有正交畸变晶体结构，其中钙离子占据A位点，钛离子占据B位点，氧八面体环绕着ABO₃结构中的钛原子[17]。作为一种重要的钙钛矿，CaTiO₃半导体因其独特性质而广泛应用于诸多领域，它能够在A位点和B位点容纳不同的阳离子，从而实现有效的掺杂[18]、[19]。这种掺杂的灵活性提升了它在光催化[20]、微电子器件[21]、能量存储[22]以及自旋电子学[23]等领域的性能，使其成为现代科技中用途广泛的材料。

近期研究强调了掺铬的CaTiO₃材料作为潜在的稀磁半导体在提升自旋传输电子学器件性能方面的作用[23]。Aaouita等人[16]通过第一性原理计算研究了掺钒的CaTiO₃的材料结构、电子、磁性和热电性质。他们的研究结果表明，8%的钒掺杂浓度可使材料呈现铁磁态，其居里温度超过室温，达到466开尔文。这一特性使得该材料成为自旋电子学器件应用的理想候选者。Ouyang等人[24]的磁学研究则显示，二维CaTiO₃纳米片也具有铁磁性能，其磁化强度为0.1661埃姆/克，居里温度高达300开尔文。

在半导体结构中使用非磁性掺杂剂，不仅可以避免出现次生磁相或磁团簇等问题[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]，还有助于开发出具有优异磁性能的创新型磁性半导体材料。在稀磁半导体中引入钇和锗等元素进行二元掺杂，能够显著提升材料的性能及其在自旋电子学等领域的应用潜力。将钇和锗离子引入CaTiO₃中，可以调节材料的带隙、缺陷以及载流子浓度等电子属性。钇取代Ca位点，锗取代Ti位点，可通过引发晶格畸变、改变交换相互作用以及促进钙钛矿结构中的缺陷介导磁有序，从而提升材料的磁性能。这种可调性对于优化材料在电子学和光子学领域的应用至关重要，有助于开发出具有特定功能的器件。

据目前所知，尚无研究探讨不同浓度的Y-Ge掺杂剂对CaTiO₃半导体的结构、成分、形态及磁性能的影响。Y³⁺离子的离子半径为0.9埃，大于Ti⁴⁺离子的0.605埃，因此预计Y³⁺离子会取代Ca位点（1.34埃），而Ge⁴⁺离子（0.73埃）或Ge²⁺离子（0.53埃）则更适于取代Ti⁴⁺位点（0.605埃）。此外，基于锗的稀磁半导体材料因其与现有硅基技术的兼容性而备受青睐。在本研究中，通过固态反应法制备了CaTiO₃、Ca_0.99Y_0.01Ti_0.99Ge_0.01O₃以及Ca_0.97Y_0.03Ti_0.97Ge_0.03O₃粉末，并对这些合成晶体的物理性质和化学成分进行了综合分析。在室温下，通过振动样品磁强计检测发现，这几种粉末都存在铁磁滞回环。在经过钇和锗离子改性的CaTiO₃样品中，观察到了显著的室温铁磁现象，其磁化强度相当高。

章节摘要

样品的制备

本研究采用固态反应法制备了CaTiO₃、Ca_0.99Y_0.01Ti_0.99Ge_0.01O₃以及Ca_0.97Y_0.03Ti_0.97Ge_0.03O₃粉末，如图1所示。所用的起始原料Ca(OH)₂、TiO₂、Y(NO₃)₃·6H₂O以及锗金属粉均来自德国MERCK公司，纯度均在99%以上。研究人员按照精确的化学计量比混合了上述起始物质，从而制得了CaTiO₃、Ca_0.99Y_0.01Ti_0.99Ge_0.01O₃以及Ca_0.97Y_0.03Ti_0.97Ge_0.03O₃粉末。

晶体相与纯度

图2展示了在空气环境中于1250摄氏度下处理的CaTiO₃、Ca_0.99Y_0.01Ti_0.99Ge_0.01O₃以及Ca_0.97Y_0.03Ti_0.97Ge_0.03O₃粉末的X射线衍射图谱。所有衍射峰均归属于CaTiO₃的正交相（空间群Pnma (62)），这一结果与标准无机晶体结构数据库（ICDS文件编号06-2149）中的记录一致[31]。此外，这些图谱中未出现任何杂质或其他相的衍射峰，这说明

结论

本研究通过固态反应法合成了纯CaTiO₃以及Ca_0.99Y_0.01Ti_0.99Ge_0.01O₃和Ca_0.97Y_0.03Ti_0.97Ge_0.03O₃粉末。所有的X射线衍射峰都证实了这些材料属于CaTiO₃的正交相，说明其具有纯相结构。通过对CaTiO₃中钇和锗掺杂剂的EDX元素分布分析，发现这些掺杂剂在材料中的分布极为均匀，这对于优化材料的电子性能非常重要。XPS分析则进一步揭示了

CRediT作者贡献说明

ghayah M. alsulaim：负责撰写初稿、内容验证工作。Shada A. Alsharif：负责文本审阅与编辑、开展正式分析。

资金支持

本研究得到了沙特阿拉伯国王费萨尔大学研究生教育与科学研究处的科学研究处的支持，项目编号为KFU263653。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。