【摘 要】
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不同于传统的半导体电子输运材料,具有二维磁性及过渡金属元素掺杂稀磁特性的氧化物因其磁-电的耦合性质,可实现电子输运及光、电性质的多尺度调控,故而其新颖物理性质的探索和新材料系统的开发长期以来都是该领域研究的热点。其中,钙钛矿氧化物作为实现全氧化物电子器件的基石,其二维磁性以及掺杂稀磁特性近些年也被广泛研究,但其材料体系主要集中在几种易于制备的钛酸盐系、铁酸盐系钙钛矿氧化物超晶格材料或体材料。针对钙
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不同于传统的半导体电子输运材料,具有二维磁性及过渡金属元素掺杂稀磁特性的氧化物因其磁-电的耦合性质,可实现电子输运及光、电性质的多尺度调控,故而其新颖物理性质的探索和新材料系统的开发长期以来都是该领域研究的热点。其中,钙钛矿氧化物作为实现全氧化物电子器件的基石,其二维磁性以及掺杂稀磁特性近些年也被广泛研究,但其材料体系主要集中在几种易于制备的钛酸盐系、铁酸盐系钙钛矿氧化物超晶格材料或体材料。针对钙钛矿铌酸盐材料的相关研究鲜有报道,其新颖的物理化学性质更亟待研究。本文分别为KNbO3和BaNbO3两种钙钛矿铌酸盐为研究对象。采用复合熔盐法制备材料,采用DFT计算、SEM、XRD、TEM、XPS等系列计算与实验方法,构建KNb O3二维晶体模型及掺杂BaNbO3晶体模型,计算研究了KNb O3晶体维度降低后材料的新颖物理性质;采用计算与实验相结合的方式,研究了元素掺杂对BaNbO3晶体结构与磁性的影响;筛选并制备了掺杂BaNbO3稀磁半导体,对其晶体结构、电子结构及磁性性质进行了表征分析,并对多铁性进行了预测与展望。理论计算研究表明,KNbO3二维晶体生长取向可调控表面极性大小和状态,实现常见的（001）pc取向二维自由电子气向（111）pc取向二维自由空穴气的转变;界面处电子结构对称性破缺导致二维KNb O3晶体出现Zeeman型自旋极化劈裂,（001）pc取向模型中,费米能级附近自旋劈裂是由p和d轨道电子态杂化构成的,由于杂化抵消,呈现非完全的自发极化状态;（111）pc取向模型中,费米能级附近自旋劈裂是由电子态O＿2p轨道电子构成,当样品厚度小于2nm时,存在100%的自发极化状态,呈现出理想的半金属特性;于此同时,上述Zeeman型自旋极化劈裂随着厚度的减小存在1/r的线性关系,其表面电极化随厚度减小存在lnr的线性关系。计算与实验结合的研究表明,本征BaNbO3体系中存在较弱的磁性。Fe、Co、Ni能够对BaNbO3进行有效掺杂,掺杂原子倾向占据B位。氧空位的存在会导致结构从立方相转变为四方相。采用复合熔盐法在195℃反应24h时,可以制备得到Ba MxNb（1-x）O3-δ（M=Fe、Co、Ni）粉体,XRD和TEM测试表征结果验证了计算对相结构转变的预测。计算研究与实验表征证实Fe元素掺杂使晶体晶格常数减小,Co元素掺杂使晶体晶格常数增大,而Ni元素掺杂使晶体a轴与b轴晶格常数减小,c轴增大。元素含量分析表明Ni的掺入量最高可达28%,数倍于Fe～4%与Co～2%,这是由于Ni掺入平衡了氧空位缺陷从而降低了掺杂体系总能量以及Ni离子与Nb的离子半径最为接近。根据元素含量,对Ni元素掺杂BaNbO3模型进行了修正。XPS实验结果显示Ni掺杂体系的Nb为+4价与+5价的混合价态,计算研究表明,这是由于与Ni不同近邻关系的Nb原子失电子程度分化导致的。而Nb原子失电子程度分化则是由Ni原子掺杂和氧空位缺陷共同导致的。磁学性质测试表明,Fe、Co、Ni掺杂均能增加BaNbO3粉体材料的室温磁性,但Co、Ni掺杂明显优于Fe,这与理论计算结果一致。其中,Ba NixNb（1-x）O3-δ具有最高的Msat～2.54emu/g,Mr～0.228emu/g和小的Hc～99.14Oe。其磁化强度是纯BaNbO3粉体的两个数量级。上述实验结果很好的验证了理论模型预测结果。
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