Donor impurity band exchange in dilute ferromagnetic oxides

铁磁性 居里温度 材料科学 凝聚态物理 反铁磁性 顺磁性 杂质 磁性 极化子 旋转玻璃 磁性半导体 交换互动 电子 化学 物理 有机化学 量子力学
作者
J. M. D. Coey,M. Venkatesan,C. B. Fitzgerald
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:4 (2): 173-179 被引量:2966
标识
DOI:10.1038/nmat1310
摘要

Dilute ferromagnetic oxides having Curie temperatures far in excess of 300 K and exceptionally large ordered moments per transition-metal cation challenge our understanding of magnetism in solids. These materials are high-k dielectrics with degenerate or thermally activated n-type semiconductivity. Conventional super-exchange or double-exchange interactions cannot produce long-range magnetic order at concentrations of magnetic cations of a few percent. We propose that ferromagnetic exchange here, and in dilute ferromagnetic nitrides, is mediated by shallow donor electrons that form bound magnetic polarons, which overlap to create a spin-split impurity band. The Curie temperature in the mean-field approximation varies as (xdelta)(1/2) where x and delta are the concentrations of magnetic cations and donors, respectively. High Curie temperatures arise only when empty minority-spin or majority-spin d states lie at the Fermi level in the impurity band. The magnetic phase diagram includes regions of semiconducting and metallic ferromagnetism, cluster paramagnetism, spin glass and canted antiferromagnetism.
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