地球科学进展课程读书报告

载流子所调制的，但在RKKY理论中载流子作用距离远大于双交换理论中的作用距离，为长程耦合作用。Liao等人[10]将RKKY和双交换理论相结合，合理解释了Al, Co共掺杂ZnO纳米线中的铁磁性机制。Mounkachi等人[11]采用密度泛函第一性原理计算表明，在Zn0.8Mn0.2O1-yNy系统中，当空穴载流子浓度较高时，Mn离子间通过载流子耦合产生的铁磁性可归因为RKKY相互作用。 Zener平均场理论

基于原始的Zener模型和RKKY理论，Dietl等人提出了Zener平均场理论[1]，它比较成功地解释了p型（Ga, Mn）As和（Zn, Mn）Te中的转变温度。与RKKY理论相比，Zener平均场理论综合考虑了材料中的自旋轨道耦合和以载流子为媒介的交换作用的各向异性。根据此理论稀磁材料的居里温度量级和p型稀磁材料的易磁化轴曲线均可由自旋轨道耦合来确定。同是，Dielt基于此模型预言在Mn掺杂浓度为5 %，空穴浓度达到1020 cm-3和ZnO和GaN基稀磁材料中可以出现居里温度高于室温的铁磁性[1]。 （2） 束缚磁极化子模型

2005年，Griffin等人[12]在高绝缘性Co掺杂TiO2稀磁薄膜中观察到了明显的室温铁磁性，Co的饱和磁矩为1.1 μB/Co。该实验结果极大挑战着长期以来占据主导地位的载流子诱导机制，表明自由载流子并非稀磁产生铁磁生的必要条件。

为了解释低载流子浓度稀磁半导体中的铁磁现象，Coey等人[13]提出了束缚磁极子模型，该理论将铁磁性与稀磁材料中的结构缺陷密切联系起来。

根据束缚磁极化子模型（见图1a），稀磁材料中的施主缺陷（或受主缺陷）可以捕获电子（或空穴）形成类氢原子轨道，该电子（或空穴）轨道具有一定的扩展半径，可以与半径范围内的磁性离子产生交换耦合作用，形成束缚磁极化子。在束缚磁极化子半径内，磁性离子和施主电子（或受主空穴）间的相互作用产生有效磁场，使磁性离子的自旋沿同一方向排列，形成局域磁矩。相邻磁极子可进一步发生重叠并相互影响，构成关联的磁极化子团簇，导致局域磁矩同向排列。由图 1b中稀磁半导体磁相图可见，当束缚磁极化子的浓度达到愈渗域值δp时，材料将出现长程铁磁有序。此外，中还会存在孤立的磁性离子、通过反铁磁性交换形成的反铁磁性离子对、孤立的磁极化子（其局域磁矩与团簇磁矩方向不同），它们对稀磁材料的宏观铁磁性没有贡献，且会使实验观察到的饱和帮矩小于理论值。在图1b中还可以观察到，当磁性离子的浓度超过临界值xp邻近磁性离子间的反铁磁作用增强，导致材料转变为反铁磁态。

图1束缚磁极化子理论模型及磁相图[13]

（a）束缚磁极化子模型示意图；（b）磁相图，电子局域在阴影区，xp和δp分别为磁性离子和磁极化子的逾渗域值，γ是类氢施主电子轨道与Bohr轨道半径比值。 2. SnO2的结构与特性

SnO2属于四方晶系，具有金红石结构，属于D4h空间群[14]，晶格结构如图1所示。每个Sn原子位于由6个O原子组成的近似八面体的中心，每个O原子也位于3个Sn原子组成的等边三角形的中心，形成6：3的配位结构。其晶胞参数分别a=0.4743 nm，c=0.3186 nm，c/a =0.673，O2-和 Sn4+半径分别为0.14 nm和0.072 nm。

SnO2属于 IV-VI 族化合物半导体材料，室温下禁带宽度为 3.6~4.0 eV。理想化学配比的 SnO2电阻率低，表现为绝缘体性质。但通常情况下，SnO2材料中存在一定数量的本征氧空位和锡填隙原子，本征缺陷在能带中形成浅施主能级，使得SnO2表现出n型半导体特性，迁移率150-260 cm2/V?s，载流子浓度为1019 cm-3量

级。由于SnO2的禁带宽度大于可见光的光子能量(3.1eV)，可见光

图 1. SnO2单胞结构

照射不会引起本征激发，材料在可见光区的透过率高于97%，这一特点使 SnO2可以作为薄膜太阳能电池，平面显示器和发光器件的透明导电极等。SnO2的激子结合能为130 meV，远大于室温下分子热离化能的 26 meV，使得激子在室温甚至超过室温下可以稳定存在[15]。SnO2表面易吸附氧形成表面能级，电位势垒为 0.3~0.6 eV，因此 SnO2在气体传感器方面也有着重要的应用。此外，SnO2材料还具有良好的热稳定性和化学稳定性。由此可见，SnO2材料是一种具有良好应用前景的多功能半导体，被广泛应用于气敏传感器，钾离子电池电极，太阳能电池，透明导电薄膜，陶瓷材料，催化剂等领域。

SnO2优异的物化性能使得其在稀磁半导体领域也具有极大的应用潜力和理论研究价值。SnO2的高禁带宽度和大的激子结合能