摘要
在不具有磁性的氧化物半导体中掺杂过渡金属或者其它稀土金属，使其不仅保留原有的半导体特性，还会产生具有室温下的铁磁性。这类稀磁半导体在电学、磁学等领域拥有广阔的应用场景。In2O3是一种透明的宽禁带半导体，具有优良的光、电和气敏等特性，常常用于光电传感器、气敏传感器等。本文探究了掺杂与应变对In2O3基稀磁半导体的电子结构的调控，进而探索了其对材料的磁性、输运和光学性质的影响。主要研究工作如下： （1）通过第一性原理计算了金属元素与氧空位Ov掺杂In2O3的电子结构。结果表明，由于掺杂元素与周围氧原子的耦合，Cr、Ce、Cu、Fe、Mn、Ni、Ru、V、Ti、Zn元素掺杂In2O3诱导出体系的磁性，其中Cr原子掺杂In2O3体系的磁矩为3μB，Cu、Mn、Zn原子掺杂In2O3体系的磁矩为2μB，Fe、Ni、Ru、Zn在掺杂In2O3中诱导的磁矩为1μB， Ce与Ti在In2O3体系中的磁矩为0.6945μB和0.5610μB，而Co、La、Sc与Ov掺杂的In2O3体系则没有表现出磁性。而且，从能带图与态密度图像可知，掺杂的离子都会在导带与价带之间产生新的杂质能级，提高了In2O3体系的导电性。 （2）利用第一性原理计算对In2O3双轴应变下的电子结构、磁性和光学性质进行了研究。在无应变时，In2O3体系的导带底在Γ点，价带顶在N-Γ之间，In2O3为间接带隙半导体，在5%和-5%应变下，In2O3依旧为间接带隙半导体，能带的导带底都位于Γ处，但在5%的拉伸应变下，价带顶移动到Γ-P之间，在-5%压缩应变下价带顶则是移动到P-H处。In2O3的原子间距在面内双轴应变状态下的变化表明，除了In8b-In8b的间距几乎没有变化外，其他的间距都会随应变呈线性关系，且体系的能量在较小的拉伸应变下，带隙随拉伸应变增加表现出线性减小的趋势，但在-0.5%~0.5%较大的应变下，呈现出类似于抛物线的曲线。在磁性方面，单个Cr掺杂In2O3与两个Cr掺杂的铁磁态下的体系磁矩会随拉伸应变减小，随压缩应变增大。对于光学性质，掺杂与应变都会对对其产生影响。吸收系数、能量损失谱、反射率与折射率在5%的拉伸应变状态下，峰值会向低端能移动，而-5%的压缩应变与Cr掺杂的状态下则会导致峰值向高端能移动。 （3）实验上，在(111)PMN-PT衬底上外延生长了Cr:In2O3薄膜，研究了基于铁电极化电场的原位应变对薄膜输运特性的调控。在PMN-PT [111]方向施加不同大小极化电场，通过非180°铁电畴切换，使薄膜晶格发生应变。薄膜电阻随着面内拉伸应变的增加线性增大。通过改变脉冲电场大小，可以将薄膜电阻可逆地转换为不同的阻态，实现了多值非易失的存储。利用第一性原理计算揭示了应变与有效电子质量的关系，为电阻演化与薄膜的面内收缩成正比做出了理论解释。
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