什么是锶铁氧体磁性材料

铁氧体磁性材料(ferrite

magnetic

material)是一种复合氧化物烧结体非金属磁性材料。简介在电性上属于半导体范畴，所以又称磁性半导体。

锶铁氧体，是一种用作永磁电机的励磁，有刷直流电机中放置于定子，无刷电机中放置于转子。

磁性离子掺入到半导体中替代部分阳离子的位 置形成稀磁半导体，通过局域自旋磁矩和载流子之间 存在强烈的自旋-自旋交换作用，在外加电场或者磁 场的影响下，会使载流子的行为发生改变，从而产生 异于半导体基质的特性。自旋-自旋交换相互作用是 DMS 材料区别于非磁半导体材料的关键，也是形成 各种磁极化子的主要原因。在 DMS 中，交换作用包 括类 s 导带电子和类 p 价带电子同磁性离子的 d 电子 间的交换作用(sp-d 交换作用)和磁性离子的 d 电子间 的交换作用(d-d 交换作用)。

Soalek 等人分析了许多试验结果后发现在 Mn 基 DMS 中，决定交换积分大小的主要是最近邻 Mn2+离 子的距离。实验表明，在 DMS 中磁性离子问的交换

作用是在畸变了的晶格中以阴离子为媒介的超交换作用。 负磁阻效应:

磁性离子掺杂到半导体结构中形成 DMS 后，载 流子自旋和磁性离子自旋之间存在交换耦合作用，磁 性离子自旋可以产生铁磁性极化作用将载流子俘获 在铁磁自旋簇中，形成磁束缚态极子。随着外加磁场 的增加，内部的束缚态磁极化子(BMP)越来越多的被 破坏掉，使更多的载流子被释放出来参与导电。因此， 稀磁半导体样品在低温下呈现负的磁阻效应。 H. Ohno研究了Ga1-xMnxAs的稀磁半导体材料， 随Mn参杂浓度变化，样品呈现金属性及绝缘性能。 实验发现，金属性样品的负磁阻性会随着温度T的降 低而增强，当温度上升到Tc时有最大值出现；绝缘性 样品则是随着温度低于Tc后，仍然有所增强，并且在 低温条件下，磁场对于磁阻的影响会更加显著。 反常霍尔效应 增强磁光效应

磁光效应的增强是 DMS 材料的又一特性，光偏振面的角度变化（法拉第角）可以反映材料内部 d 电 子与 p 及 s 电子之间相互作用的相对强弱。

半磁半导体semim眼netie semieonduetor一类 新型半导体材料。又称稀磁半导体。通常为A卜二M，B 型合金，由组分为普通半导体化合物AB和组分为磁 性半导体MB组成，其中组分为x的磁性离子M无规 则地占据A的子格点。由于这类材料中存在顺磁离子， 具有彼强的局域自旋磁矩，与局域顺磁离子相联系的 3d“电子和类s(导带)、类P(价带)能带电子之间的自 旋与自旋相互作用结果，产生一种新的交换作用，称为 sP一d交换作用，使半磁半导体具有与普通半导体截然 不同的性质。自1978年国际上首次报道以来的近15年 中，这方面工作已有很大的进展。 结构与组分典型的半磁半导体材料体系是A扩一二 Mnx砂型合金，其中M扩离子无规地取代化合物A，理 中部分11族的子格点。如宽能隙的Cd卜二Mn二Te(S， Se)、Znl一xMnxTe(S，Se)和窄能隙的Hg一，Mn二Te (S，Se)等。稳定单相的Cd卜xMnxTe具有闪锌矿结 构，组分x值可高达0.77Cdl一xMnxS为纤锌矿结构， 组分x上限为0.45Znl一xMnxse则在x(0.30为闪锌 矿结构，而在0.30四面体结合键，M扩离子贡献45“价电子 给结合键而形成半满3d5壳层，具有很强的自旋磁矩 (s=5/2)。过渡金属M扩离子在H一VI族半磁半导体 中最易溶混，如Znl_二MnxTe的x值可高达0 .86，超 过此上限将出现多相结构。过渡金属铁的溶混性就比锰 的约小一个量级，其他过渡金属元素的则更小。A{与 Mnx砂半磁半导体晶体结构和形成单相晶体的组分范 围见表。 A二*Mnx砂半磁半导体晶体结构 材料 组分范围 Zni_xMnxS Zn一_xMnxse Zn一_xMlixTe Cd一_xMn二S Cdl_、Mnxse Cd卜xMnxTe Hgl、MnxS Hgi一xMnxse HglxMnxse 晶体结构 闪锌矿 纤锌矿 闪锌矿 纤锌矿 闪锌矿 纤锌矿 纤锌矿 闪锌矿 闪锌矿 闪锌矿 闪锌矿 0无序磁性体系。当 M扩离子组分增加时，必须考虑M扩离子之间的相互 作用，它们除形成束缚M扩团簇的离子对、三离子等 外，还会形成更大的团簇。M扩离子间强的反铁磁作 用会使有效磁离子浓度减小而趋于饱和。绝大多数一普通 半导体化合物是杭磁性材料，由于M扩的组分可以在 很宽范围内变化，在半磁半导体材料中可观察到从顺磁 态进入自旋玻璃态到反铁磁态的相变。 半磁半导体材料通常具有普通半导体材料的基本物 理性质。 半磁半导体中晶格常数a服从费伽定律。例如， Cdl一xMnxTe的晶格常数为 a二(1一x)aH一vI十文在Mn_巩 式中al卜”、aMn一砚分别为CdTe、MnTe的晶格常数。 精确测定晶格常数a，可决定其组分x值。A卜二Mn二理 合金是直接带隙材料，其能隙随M扩离子组分而线性 变化。有一些材料(如Cdl一xMnxS、Znl一xMnxse)在x 值小时，由于交换作用影响会偏离线性关系。 性质半磁半导体中sP一d交换作用，使载流子行 为强烈地受温度和磁场的影响，从而产生一系列与普通 半导体完全不同的物理现象。主要有: ①磁场下的有效g因子增强。考虑交换作用贡献 后，通常引入自旋在磁场方向的热平均<52>正比于宏 观体磁化强度M的平均场理论来描述改变了的载流子 行为。有效g因子通过磁化强度M反映其与温度、组 分和磁场的依赖关系。增强磁场和降低温度均能使交换 作用贡献增强。窄能隙Hgl一二MnxTe在低温下甚至发 生价带、导带朗道子能级的重叠并使朗道子能级次序发 生变化。对Cdl一二Mn二Se:x二O时有效g因子g才= 0.5，而x=0.1时，g*=170。有效g因子增强了两个 量级。 ②反常大的磁光效应。磁离子对外磁场有很大的响 应，如同外磁场的“放大器”，其振幅比普通半导体中磁 光效应强102一103倍。最为突出的是宽能隙Cd卜xMn二 Te(S，Se)在外磁场下的激子带发生巨大的塞曼分裂， 从而导致带间范围显示很强的激子巨法拉第效应，较 CdTe的法拉第旋转角大103倍。同时测量法拉第效应、 磁反射谱和磁化强度，可精确地确定不同材料中表征交 换作用贡献的交换积分常数。在n一Cdoo5Mnoo5Se中 发现反常大的自旋反转拉曼散射斯托克斯位移，较 Cdse的大两个数量级。同时还观察到与束缚磁极化子 的形成有关的零场下斯托克斯移位。此外在A卜二Mn、 砂系列Pbl_xMnxTe中还观察到与自由磁极化子形成 有关的零场下自旋分裂。 ③SdH量子振荡的振幅与温度非单调反常依赖关 系。n一Hg卜xMn，Te(Se)的振荡的振幅中包含与有效 g因子有关的余弦因子，有效g因子随温度而变化。与 标准的量子振荡(保持恒定温度，改变磁场)相反，如保 持恒定磁场而改变温度，则可观测到一类新型的量子振 荡-一磁热振荡。 ④巨负阻效应。普通半导体的电阻和受主束缚能随 磁场的增强而增大，表现为正磁阻。而p一Hgl一xMnxTe 由于sp一d交换作用，使受主束缚能随磁场增强而减 小，观测到高达6个数量级的巨大负磁阻，且表现各向 异性。此外，低温下霍耳效应也表现反常行为。 现状与发展半磁半导体具有很宽谱的能隙，随组 分的改变，能隙连续可从零变化至ZeV以上。近年来 发展的四元晶体(如Hg卜，一，CdxMnyTe)具有相互 独立的能隙和交换作用，从而增加了它在各类光电器件 中应用的可能性。Cd，_xMnxTe材料的巨法拉第旋转 和低吸收系数，已应用于非倒易光器件。目前国际上在 对含M扩离子半磁半导体深入研究的同时，还对含 F扩和含C扩离子的Alll_二Fe、(CO)二Bvl体系、四元化 合物Hg卜x一，CdxMn，Te、Pb:一二一，SnxMn，Se等，以 及含稀土离子Eu、Gd等的三元化合物体系展开了研 究。最重要的发展之一是用分子束外延成功地生长了高 质量的A{]x Mnx砂量子阱超晶格和异质结结构，从而 开拓了半磁半导体中能隙工程的研究领域。最近用分子 束外延还成功地生长了111一V族In，_二Mn二As薄层材 料。 半磁半导体是研究顺磁一自旋玻璃一反铁磁态的好材 料，同时也是研究固体的无序体系及形成团簇玻璃态和 混磁态等特有性质的很好对象。实验上对其磁性研究主 要通过磁化率、磁化强度、比热、电子顺磁共振、中子 衍射等测量方法。磁光的法拉第效应、拉曼光散射及磁 反射谱等也是研究其磁性的重要手段。 (陈辰嘉) 一丁石且 力氏丘』 产尸且 区丈区丈

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