在Fe掺杂的YCrO?中工程化能带结构和载流子动力学，以用于光限制和介电应用

铁掺杂改性铈酸镧YCrO3的结构、非线性光学与介电响应及磁有序调控研究。通过溶胶-凝胶法制备不同掺杂比例的样品，结合XRD、UV-Vis光谱、开孔Z-扫描及介电谱和磁化率测试，发现Fe掺杂导致晶胞参数增大，Cr/Fe-O-Cr/Fe键长增加，同时增强三光子吸收非线性效应，介电弛豫现象显著，磁有序呈现G型反铁磁有序向弱铁磁有序转变，证实B位铁掺杂能有效调控多物理性能，为光电子器件和自旋电子学应用奠定基础。

　　

P.M. Muhammed Swalihu | Mallikarjun H. Anandalli | C.S. Chitra Lekha | S. Karthika | Nandakumar Kalarikkal

印度喀拉拉邦帕塔南姆蒂塔市天主教学院物理系 – 689645

摘要

本研究探讨了Fe掺杂对YCrO₃钙钛矿的光学跃迁、介电性质和磁有序性的影响。通过紫外-可见光谱和光致发光光谱研究了其线性光学性质，发现可以直接调节其光学带结构。利用开孔Z扫描实验研究其非线性光学性质，结果表明反向饱和吸收（RSA）是由类似三光子吸收过程引起的。介电光谱揭示了频率依赖的弛豫现象，这具有弛豫体材料的特征。磁测量显示YCrO₃具有倾斜的G型反铁磁性质，且随着Fe掺杂量的增加，弱铁磁性增强。这些发现表明，控制Fe掺杂是调控YCrO₃的载流子动力学以及线性和非线性光学性质的有效策略，为其在下一代电子设备（如存储元件、自旋电子学和传感器）中的应用奠定了基础。

引言

过渡金属氧化物（TMOs）因其结构畸变、磁性和电子性质之间的复杂相互作用而受到广泛关注[1],[2],[3],[4],[5]。TMOs中电子之间的强关联产生了诸如金属-绝缘体转变、巨磁阻效应和高温超导性等独特现象。在自旋电子学领域，TMOs具有诸多优势，包括高自旋极化率、可调的磁性质以及与现有半导体技术的兼容性[6]。钇铬酸盐（YCrO₃）因其独特的磁、铁电和光学性质而在TMOs材料中备受关注。其对多光子吸收和非线性行为的潜在研究促使人们探索其在磁光技术中的应用[7]。研究人员发现YCrO₃表现出复杂的光子吸收机制，包括双光子吸收（2PA）和类似三光子的吸收过程，这些机制对其非线性光学响应起到了重要作用[8],[9]。YCrO₃表现出复杂的介电行为，在460 K附近观察到明显的弛豫体型响应[10]。Ramesha等人提出，YCrO₃的铁电性源于CrO₆八面体中Cr离子的微小位移所导致的“局部非中心对称性”[11]。从磁性角度来看，YCrO₃呈现G型倾斜反铁磁有序，并且在140 K以下的奈尔温度下表现出弱铁磁性。

尽管YCrO₃以其畸变的八面体结构和相关的电子结构而闻名，但其在光学和介电功能方面的潜力仍有待进一步开发。近年来，研究人员通过控制颗粒尺寸以及在A位点和B位点进行各种离子替代，试图增强其多铁性性质。Souvick Das等人[12]向YCrO₃中引入Ba和Ni，提高了铁磁贡献和铁电极化率。Sujata Kumari Ray等人的另一项研究[13]表明，向YCrO₃钙钛矿中掺入Bi³⁺可以增强介电常数和导电性。尽管已经研究了用Fe³⁺替代Cr³⁺对钇正铬酸盐的磁效应[14],[15],[16],[17]，但关于Fe掺杂如何同时调控载流子动力学、光学限制和介电弛豫的全面理解仍不充分。

在本研究中，我们系统地研究了Fe掺杂对YCr_1-XFe_XO₃的结构对称性、电子态、光致发光、介电弛豫、非线性光学响应和磁有序性的影响。这项综合研究为Fe掺杂YCrO₃的应用提供了理论基础，为其在光学限制和自旋电子传感器设备中的应用开辟了道路。

实验部分

Fe掺杂的YCrO₃样品（组成为YCr_1-xFe_xO₃，其中x = 0, 0.25, 0.50）采用溶胶-凝胶法制备。使用高纯度的硝酸钇（Y(NO₃)₃.6H₂O）、硝酸铬（Cr(NO₃)₃.9H₂O）和九水合硝酸铁（Fe(NO₃)₃.9H₂O）作为金属前驱体，聚维生素醇（PVA）作为螯合剂。前驱体溶解在去离子水中并按化学计量比混合后进行热处理。

晶体结构

所有样品的XRD图谱（图2）均显示出与正交晶系Pnma（ICDD文件编号00-034-0365）相一致的衍射峰，证实形成了晶体相。未观察到与次要相或杂质相关的额外峰，表明在XRD检测范围内形成了单相化合物。YCF-1和YCF-2的XRD图谱噪声增加，可能表明存在更多的缺陷。

结论

总结来说，成功合成了Fe掺杂的YCr1-XFeXO₃钙钛矿，并对其结构、光学、介电和非线性光学性质进行了系统研究，以阐明B位点工程对其性质的影响。结构测量表明，最终材料仍保持正交晶系Pnma结构，掺杂后晶格参数‘a’、‘b’和‘c’增大。这导致Cr/Fe-O-Cr/Fe键长延长，单元格体积扩大。

作者贡献声明

Mallikarjun H Anandalli：撰写、审稿与编辑。 MUHAMMED SWALIHU P M：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构思。 Karthika S：监督工作。 CHITRA LEKHA C S：撰写、审稿与编辑、数据可视化、监督工作、概念构思。 Nandakumar Kalarikkal：撰写、审稿与编辑、数据可视化、验证、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者SPM感谢UGC通过初级研究奖学金（201610102161）提供的财务支持。NK和CSC感谢CEFIPRA项目（编号6408-1）的财务支持。作者NK还感谢印度CRS计划（属于UGC-DAE-CSRCSR，Kolkata中心，项目编号UGC-DAE-CSR-KC/CRS/19/RC08/0485）以及CRG（项目编号CRG/2021/001506）和印度政府的创新计划及特别援助计划（SAP，项目编号F.530/12/DRS/2009）的资助。