稀磁半导体是指磁性过渡金属或稀土金属离子部分取代化合物半导体(通常为AB型)阳离子,从而形成三元或四元的化合物。由于微量的磁性原子的引入,改变了原有的半导体的微观机制,因此使稀磁半导体在磁学、电学、光学等方面具有极其独特的性质,因此在自旋电子器件与透明电子器件领域显示出广阔的潜在应用。然而,多数稀磁半导体的p型掺杂难以实现,会阻碍高居里温度稀磁性的获得。本论文以p型铜铁矿结构的CuCrO₂为基质,通过3d过渡金属Fe、Mn离子的掺杂,实现了较高温度的稀磁性;通过改变掺杂离子的种类、浓度及替代位置,研究了样品的微观结构、表面形貌、磁学、光学和电学性质,并对磁性起源及具体的磁交换机制进行了探讨。首先,利用固态反应法分别制备了Cu(Cr_1-xFe_x)O₂(x=0、1%、5%、10%、15%)、(Cu1-xFe x)CrO2(x=0、1%、2%、3%、4%、5%、10%、15%)和Cu(Cr1-xMnx)O₂(x=0、5%、10%、15%)三个系列的陶瓷样品。(1)Cu(Cr_1-xFe_x)O₂系列样品均具有CuCrO₂铜铁矿单相结构,晶格常数随着Fe掺杂浓度的增大而增大,说明Fe离子以³⁺的价态取代了Cr³⁺,X射线光电子能谱(XPS)和穆斯堡尔谱的分析都进一步证实了这一结论。Fe³⁺与Cr³⁺离子的共存引起了以空穴为媒介的Fe³⁺–Cr³⁺超交换相互作用,从而产生了铁磁性。饱和磁化强度受离子对数目、离子间距及空穴浓度的影响,随Fe含量的增加而逐渐减小。Fe掺杂使居里温度显著提高,是文献值的两倍多,可达到246K以上,接近于室温。(2)(Cu1-xFex)CrO2系列样品掺杂浓度在0-4%范围具有CuCrO₂铜铁矿单相结构,当掺杂浓度在5-15%范围时出现杂质峰,表明高浓度替位掺杂难以实现。(3)Cu(Cr1-xMnx)O₂系列样品均具有CuCrO₂铜铁矿单相结构。在陶瓷研究的基础上,进一步利用脉冲激光沉积(PLD)法在蓝宝石基片上分别制备了Fe和Mn掺杂的CuCrO₂单相薄膜,通过改变氧压、衬底温度、激光频率、溅射时间等参数,实现了沿c轴方向的准外延生长。(1)Cu(Cr_1-xFe_x)O₂(x=0、5%、10%、15%)系列薄膜具有铜铁矿单相结构,且沿着c轴方向准外延生长。XPS谱分析表明,Cu、Cr离子分别以1+和³⁺的价态存在,可推断Fe离子以³⁺的形式占据Cr位。薄膜电阻率随着温度的增加呈减小趋势,且霍尔系数均为正,说明薄膜为P型半导体。在可见光区域的透射率最高可达75%,光学带隙随着Fe含量的增加而减小。此外,薄膜具有铁磁性,饱和磁化强度随着Fe含量的增加而逐渐增强。(2)Cu(Cr1-xMnx)O₂(x=0、5%、10%、15%)系列薄膜具有铜铁矿单相结构,且沿着c轴方向准外延生长。