γ射線輻照對MgO單晶的點缺陷組態(tài)及磁性的影響

曹夢雄　馬亞茹　樊聰俐　王興宇　劉　昊　王海歐　周衛(wèi)平　馬春林　譚偉石

1（南京理工大學(xué)　理學(xué)院應(yīng)用物理系　軟化學(xué)與功能材料教育部重點實驗室　南京　210094）2（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院　蘇州　215104）3（杭州電子科技大學(xué)　材料物理研究所　杭州　310018）

γ射線輻照對MgO單晶的點缺陷組態(tài)及磁性的影響

曹夢雄1馬亞茹1樊聰俐1王興宇1劉昊2王海歐3周衛(wèi)平1馬春林1譚偉石1

1（南京理工大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系軟化學(xué)與功能材料教育部重點實驗室南京210094）2（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州215104）3（杭州電子科技大學(xué)材料物理研究所杭州310018）

對（100）取向的MgO單晶進行了不同劑量的60Co γ射線輻照，輻照劑量從30 kGy到1 750 kGy。利用同步輻射漫散射技術(shù)以及紫外-可見吸收光譜研究了輻照樣品的點缺陷情況，并將實驗測量的漫散射結(jié)果與理論計算結(jié)果進行比對，以獲得點缺陷組態(tài)的信息。利用超導(dǎo)量子干涉儀（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）測量了樣品在不同溫度下的磁性質(zhì)。漫散射和吸收光譜的實驗結(jié)果表明，經(jīng)γ射線輻照的MgO單晶產(chǎn)生了陰離子弗倫克爾缺陷，并在室溫下沒有表現(xiàn)出鐵磁性，只是在低溫下觀察到了順磁信號，且輻照前后樣品在零場冷卻和加場冷卻下的M-T曲線沒有變化，說明陰離子空位沒有導(dǎo)致MgO的d0鐵磁性。

γ射線輻照，MgO單晶，點缺陷，漫散射，d0鐵磁性

2004年，Venkatesan等［1］在沒有摻雜的HfO2薄膜中發(fā)現(xiàn)高溫鐵磁性。需要指出的是，在HfO2中沒有摻雜磁性離子，Hf離子自身不存在未配對的d電子或f電子，而且HfO2塊體樣品是抗磁性的。人們因此而提出了d0鐵磁性這一概念［2-3］，這挑戰(zhàn)了人們對于鐵磁性理論的原有認(rèn)知。而后相繼在TiO2、ZnO、In2O3及SnO2等氧化物中也發(fā)現(xiàn)了室溫鐵磁性。

具有巖鹽晶體結(jié)構(gòu)的MgO是一種寬禁帶氧化物絕緣體，帶隙Eg為7.8 eV。優(yōu)良的絕緣性、熱傳導(dǎo)性、熱穩(wěn)定性等特點使得MgO具有十分廣泛的應(yīng)用。MgO不僅可以作為催化劑、抗菌劑，還可作為傳感材料、電器絕緣材料等，并且可以用作磁隧道結(jié)的絕緣層。MgO是一種理想的利用缺陷或雜質(zhì)來研究d0鐵磁性的金屬氧化物材料［4］。Hu等［5］首次在溶膠凝膠法制備的MgO納米晶粉末中發(fā)現(xiàn)了室溫鐵磁性，他們認(rèn)為觀察到的室溫鐵磁性很可能是來源于納米晶粒表面或表面附近的Mg空位。此后眾多研究者也在摻雜的MgO中發(fā)現(xiàn)了室溫鐵磁性。多數(shù)研究者認(rèn)為MgO的室溫鐵磁性是因為制備過程中引入的金屬雜質(zhì)、陽離子空位和陰離子空位等原因產(chǎn)生的。

由此可見，為探究MgO磁性的產(chǎn)生機制，對MgO的晶體缺陷進行研究是非常必要的。在MgO晶體中產(chǎn)生缺陷的方法很多，如摻雜、輻照、離子注入、不同氣氛下熱處理等。其中輻照是產(chǎn)生缺陷較為常見的方法之一。輻照方法包括中子輻照［6-8］、重離子輻照［9-12］、γ射線輻照［13］、電子束輻照［14-15］及質(zhì)子輻照［16］等。Moore等［6］利用球磨方法制備了MgO粉末，并對樣品進行了中子輻照，通過X射線衍射（X-ray Diffraction, XRD）、掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy, SEM）和透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy, TEM）等表征手段研究了中子輻照后的缺陷情況，研究發(fā)現(xiàn)中子輻照導(dǎo)致晶體產(chǎn)生了大量的位錯缺陷，從而導(dǎo)致MgO的熱擴散率顯著降低。Moll等［10］用盧瑟福背散射譜（Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS）和TEM表征Au+離子輻照導(dǎo)致的MgO晶體損傷。研究表明，樣品內(nèi)產(chǎn)生了位錯環(huán)，且樣品內(nèi)不同深度處的損傷程度不同，分析認(rèn)為近表面的損傷是原子直接碰撞導(dǎo)致的位移結(jié)果，而內(nèi)部的損傷從本質(zhì)上來說是遷移現(xiàn)象。Feldbach等［16］利用陰極光譜法研究了質(zhì)子輻照后的MgO的缺陷情況，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1017cm-2通量的質(zhì)子輻照后，MgO樣品表面層產(chǎn)生了大量的氧空位缺陷。

多種理論計算方法被用來研究MgO晶體的缺陷性質(zhì)，如嵌入原子簇的電荷自洽離散變分方法［17］、從頭算理論［18］、多體微擾理論［19］、蒙特卡羅方法［20］以及密度泛函理論［21］等。理論計算表明空位可以誘導(dǎo)MgO磁矩的產(chǎn)生。

雖然大量的實驗研究和理論計算均表明點缺陷可以導(dǎo)致MgO的室溫鐵磁性，但究竟是陽離子缺陷還是陰離子缺陷在起作用依然存在爭議。本文著重研究γ射線輻照后的MgO單晶內(nèi)的點缺陷類型及組態(tài)并探討點缺陷對MgO磁性的影響。

本文首先對商用（100）取向的MgO單晶進行不同劑量的γ射線輻照，運用黃昆漫散射（Huang’s scattering）強度公式計算了MgO單晶中立方缺陷和偶極力缺陷引起的X射線漫散射等強度曲線。利用同步輻射漫散射技術(shù)以及紫外-可見光吸收光譜來研究樣品經(jīng)輻照后產(chǎn)生的缺陷類型及組態(tài)，并對比理論計算的漫散射結(jié)果，從而分析點缺陷的類型及組態(tài)。此外，采用超導(dǎo)量子干涉儀測量了MgO樣品室溫及低溫下的磁性，并試圖通過缺陷理論解釋磁性的變化情況，最終將磁性與缺陷建立聯(lián)系。

1　實驗方法

在合肥科晶材料技術(shù)有限公司購買商用（100）取向的MgO單晶樣品，樣品尺寸為10mm×5mm× 0.5mm。在江蘇瑞迪生科技有限公司（南京輻照中心）利用60Co γ射線輻射源對樣品進行不同劑量的輻照，γ射線能量是1.33 MeV。輻照在室溫下進行，輻照壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，樣品編號及其對應(yīng)的輻照劑量和劑量率示于表1。

表1?。?00） MgO單晶樣品的不同γ射線輻照劑量及劑量率Table 1　The γ ray irradiation doses and dose rates of （100）MgO single crystals.

我們運用黃昆漫散射強度公式，通過MATLAB編程計算了MgO單晶中的立方缺陷和偶極力缺陷引起的X射線漫散射等強度曲線。MgO樣品的漫散射實驗在北京同步輻射裝置（Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF）的1W1A漫散射實驗站及上海同步輻射裝置（Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF）的BL14B線站完成。漫散射是在接近200和311倒易陣點附近測量的，包括室溫（300 K）以及低溫（200 K）下的ω-2θ掃描，搖擺曲線以及倒易空間圖（Reciprocal Space Mapping, RSM）掃描。掃描模式為ω-2θ模式，RSM的掃描步長為0.04°，ω-2θ掃描和搖擺曲線的掃描步長為0.01°，BSRF實驗波長為0.15476 nm，SSRF實驗波長是0.12438 nm。在極低溫（低于5 K）下測量RSM可以有效降低熱效應(yīng)的影響，但由于SSRF實驗條件限制，不能進行低溫實驗，因此我們的測量只是在室溫下開展。而BSRF的實驗可采用液氮對樣品進行降溫，因此我們在BSRF上進行了低溫及室溫下的實驗。實驗證明，相同樣品在低溫及室溫下，RSM的實驗結(jié)果并無明顯差別。因此我們將不同溫度下獲得的RSM結(jié)果進行比較是合理的。為便于直接對比實驗結(jié)果，數(shù)據(jù)分析時將波長全部轉(zhuǎn)化為0.15406 nm。為進一步探究輻照樣品的缺陷損傷情況，我們對輻照的MgO樣品開展了室溫下的紫外-可見光（Ultravioletvisible, UV-vis）吸收光譜實驗。實驗儀器為北京譜析通用儀器有限公司生產(chǎn)的TU-1901型雙光束紫外可見光光度計。為盡量減少外界因素對實驗結(jié)果的影響，測量前我們對儀器進行充分的預(yù)熱，并利用石英比色皿放置樣品。實驗波長范圍選擇200-800nm，波長變化速率為1 nm·s-1。我們利用美國Quantum Design公司生產(chǎn)的MPMS-5型號SQUID測量室溫以及低溫下的樣品磁性。磁場沿著樣品表面方向，磁場大小從-2 T到+2 T或從-1 T到 +1 T。同時測量了樣品的零場冷卻（Zero Field Cooled, ZFC）和加場冷卻（Field Cooled, FC）的磁化強度隨溫度的變化（M-T）曲線，溫度從5 K到300 K，測量磁場為0.01 T。為排除雜質(zhì)的干擾，我們在實驗前用丙酮及無水乙醇先后對樣品進行超聲波清洗10 min，且實驗過程中均采用塑料鑷子夾取樣品。

2　實驗內(nèi)容與分析

2.1MATLAB理論計算

當(dāng)知道某種缺陷引起的遠(yuǎn)程晶格位移場的傅里葉變換表達(dá)式時，我們就可以計算出該缺陷在不同倒易陣點附近引起的漫散射等強度分布曲線，再將實驗測量的倒易空間圖與之比較即可得到晶體中的缺陷種類和組態(tài)信息。

文獻［22］介紹了幾種基本的間隙組態(tài)，如圖1所示。其中O表示體心組態(tài)，具有八面體對稱性；HO為〈100〉劈裂組態(tài)；C為擠列組態(tài)；HC為劈裂擠列或〈110〉劈裂組態(tài)；T為四方對稱組態(tài)；HT為〈111〉劈裂組態(tài)；OC為間隙原子位于O和C組態(tài)連線間且離O更近；OT為間隙原子位于O和T連線間且離O更近。

圖1　8種基本的間隙原子組態(tài)Fig.1　Eight basic interstitial configurations.

為探清輻照的MgO晶體的缺陷情況，我們首先運用黃昆漫散射強度公式［23］計算了MgO晶體內(nèi)的立方缺陷和偶極力缺陷引起的X射線漫散射等強度曲線。已知晶格缺陷的一個重要屬性就是缺陷周圍原子的力分布。立方缺陷（cubic defect）和偶極力缺陷（double-force defect）主要與位置及其相互之間的作用力有關(guān)。偶極力缺陷與偶極力張量有關(guān)，更多的是指雙空位或〈100〉間隙原子。

在某一倒格矢H0處，黃昆漫散射（IH）可表示為：

式中：c是點缺陷濃度；F0是平均結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)振幅；V是晶胞體積；Um是位移場的傅里葉變換。

Flocken等［23］認(rèn)為立方晶格內(nèi)，沿著〈100〉方向的立方缺陷引起的漫散射是相同的，因此，我們只需計算200倒易陣點附近漫散射即可代表｛100｝等同晶面的漫散射情況。而｛110｝等同晶面和｛111｝等同晶面的漫散射情況也是類似的。因此我們只計算了MgO單晶中立方缺陷引起的200以及220倒易陣點附近的漫散射強度分布圖（圖2（a）、（b））。

我們計算立方缺陷引起的漫散射計算公式是文獻［22］的公式：

其中：

式中：α、β、γ指［100］、［010］和［001］的方向。計算過程中需要的MgO單晶的彈性常數(shù)為：C11= 297.8 GPa，C12=95.8 GPa，C44=154.7 GPa。ε=C11-C12-2C44是彈性各向異性常數(shù)。

圖2（a）和（b）分別表示了立方缺陷在200及220倒易陣點附近引起的漫散射等強度圖。通過圖2可以看出，無論是在200倒易陣點附近，還是220倒易陣點附近，立方缺陷產(chǎn)生的漫散射等強度圖都呈現(xiàn)為雙紐線型。

圖2　計算得出的MgO內(nèi)立方缺陷在200 （a）以及220 （b）倒易陣點附近引起的漫散射等強度圖Fig.2　Calculated isointensity profiles of X-ray diffuse scattering near 200 （a） and 220 （b） reciprocal-lattice point for a cubic point defect in MgO.

圖3是運用MATLAB軟件計算的MgO單晶中偶極力缺陷引起的200、020、002及220倒易陣點附近的漫散射等強度圖。

我們計算偶極力缺陷引起的漫散射計算公式是文獻［22］的公式：

其中：

由圖3看出，偶極力缺陷引起的不同倒易陣點附近的漫散射等強度曲線是不同的。MgO晶體內(nèi)的偶極力缺陷引起的200和020倒易陣點附近的漫散射等強度圖相似。而偶極力缺陷引起的002以及220倒易陣點附近的漫散射等強度圖卻與200和020倒易陣點附近的漫散射等強度圖有非常大的差異。

比較圖2和圖3可見，MgO晶體內(nèi)相同的倒易陣點附近，立方缺陷和偶極力缺陷引起的漫散射情況差別非常明顯。Flocken等［23］也曾用同樣的方法計算出多個立方結(jié)構(gòu)金屬的立方缺陷和偶極力缺陷引起的倒易陣點附近漫散射等強度圖，計算顯示相同倒易陣點附近，兩種缺陷引起的漫散射情況也是相差很大。

圖3　計算得出的MgO內(nèi)偶極力缺陷在倒易陣點200 （a）、020 （b）、002 （c）及220 （d）附近引起的漫散射等強度圖Fig.3　Calculated isointensity profiles of X-ray diffuse scattering near reciprocal-lattice point 200 （a）, 020 （b）, 002 （c） and 220 （d） for a double-force point defect in MgO.

2.2漫散射實驗

我們在BSRF及SSRF上開展了MgO晶體的漫散射實驗。首先在室溫下測量了輻照前后MgO樣品（200）面以及（311）面的ω-2θ掃描和搖擺曲線，示于圖4。為精確找到2θ與ω的位置，通過固定2θ與ω中的一個，反復(fù)來回掃描另一個，直至找到衍射峰最強時的角度，并最終利用找到的2θ與ω的角度進行漫散射掃描。這就是圖4中2θ與ω并不是嚴(yán)格的兩倍關(guān)系的原因。圖4（a）和（b）分別是（200）面的ω-2θ掃描和搖擺曲線，圖4（c）和（d）是（311）面的ω-2θ掃描和搖擺曲線。圖5（a）和（b）分別是低溫200 K時MgO單晶在輻照前后的（200）面以及（311）面的ω-2θ掃描曲線。通過圖4可以看到，S1樣品的（200）面和（311）的衍射峰強度較大，峰形較窄，同時搖擺曲線強度高，半高寬較小，說明（100） MgO單晶內(nèi)沒有明顯的缺陷，是理想的單晶樣品。對比圖4（a）、（c）以及圖5（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過輻照后的樣品無論是室溫或低溫下，其（200）面和（311）的衍射峰強度都顯著降低，而峰位也朝低角度方向偏移,并且（200）衍射面的衍射峰出現(xiàn)了明顯的寬化，這是黃昆漫散射的表現(xiàn)。仔細(xì)觀察圖4（b）、（d）可以發(fā)現(xiàn)，輻照后MgO晶體搖擺曲線的半高寬略微增加。Pillukat等［24］利用X射線衍射方法研究發(fā)現(xiàn)電子輻照的GaAs晶體也出現(xiàn)了類似的漫散射，認(rèn)為這是產(chǎn)生的點缺陷導(dǎo)致的。InP經(jīng)電子輻照后產(chǎn)生了弗倫克爾缺陷，并同樣導(dǎo)致了衍射峰的寬化，即產(chǎn)生了黃昆漫散射［25］。Bachiller-Pere等［12］利用高分辨X射線衍射技術(shù)也觀測到離子輻照的MgO產(chǎn)生了缺陷引起的漫散射。通過分析，我們可以知道γ射線輻照使MgO晶體的晶格產(chǎn)生畸變，晶體內(nèi)產(chǎn)生了明顯的點缺陷。

圖4　室溫下輻照前后的（100） MgO單晶的（200）面的ω-2θ掃描（a）和搖擺曲線（b）以及（311）面的ω-2θ掃描（c）和搖擺曲線（d）Fig.4　ω-2θ scans and rocking curves of the （200） （a,b） and （311） （c,d） reflection for pristine and irradiated （100）MgO single crystals at room temperature.

圖5　200 K下輻照前后（100） MgO單晶的（200）面（a）以及（311）面（b）的ω-2θ掃描Fig.5　ω-2θ scans in the vicinity of the （200） （a） and （311） （b） reflection for pristine and irradiated（100） MgO single crystals at 200 K.

對比可以發(fā)現(xiàn)，相對于室溫下（200）面以及（311）面的衍射峰位，同一個樣品的低溫下的衍射峰位向高角度偏移，說明低溫下的晶格常數(shù)較室溫下要小。

為進一步研究晶體內(nèi)的缺陷情況，我們對輻照前后的（100） MgO單晶樣品進行了倒易空間圖掃描，并將實驗得到的倒易空間圖與此前MATLAB程序計算出的漫散射等強度圖進行對比。圖6是室溫或低溫下測量的不同輻照劑量的MgO晶體在（200）面的倒易空間圖。圖6（a）-（f）分別對應(yīng)的是樣品S1?S6的倒易空間圖。S4樣品是在200 K溫度下測量的，其余樣品均是在室溫下測量。觀察發(fā)現(xiàn)，不同輻照樣品展現(xiàn)出的倒易空間圖有比較大的區(qū)別。未輻照的MgO晶體的（200）面倒易空間圖是比較規(guī)則的同心圓分布，且qy和qz方向的漫散射強度分布范圍均在0.07 nm-1之內(nèi)。說明輻照前（100）MgO單晶幾乎沒有漫散射情況出現(xiàn)，樣品具有很好的晶格完整性，晶體幾乎沒有缺陷。這與之前的ω-2θ掃描和搖擺曲線分析結(jié)果是一致的。不同劑量輻照的樣品的倒易空間圖類似，漫散射強度分布范圍增加，但是更多地沿著qz倒易矢量方向分布。這說明晶體經(jīng)輻照后產(chǎn)生大量缺陷，與ω-2θ掃描和搖擺曲線掃描結(jié)果是吻合的。

進一步對比圖2和圖3的MATLAB計算的漫散射等強度圖后發(fā)現(xiàn)，輻照樣品的倒易空間圖與計算出的偶極力缺陷在（200）倒易陣點附近的漫散射圖是類似的，這說明樣品經(jīng)γ輻照后產(chǎn)生的點缺陷是偶極力缺陷，即雙空位或〈100〉間隙原子。而我們知道在面心立方晶體內(nèi)，〈100〉劈裂組態(tài)是最穩(wěn)定的間隙原子組態(tài)。這表明輻照的MgO晶體內(nèi)產(chǎn)生了〈100〉間隙原子。為保持電中性，晶體內(nèi)產(chǎn)生若干個間隙原子后，必然會有若干個空位的形成。因此，可以肯定沒有被雜質(zhì)干擾的（100） MgO單晶經(jīng)不同劑量的γ射線輻照后產(chǎn)生了大量的弗倫克爾缺陷。

圖6　S1-S6樣品（a-f）的（200）面的倒易空間圖Fig.6　RMSs around the （200） reflection of S1-S6 （a-f）.

2.3UV-vis吸收光譜

前文所述，輻照后的晶體內(nèi)產(chǎn)生了弗倫克爾缺陷，但并不確定是陽離子點缺陷還是陰離子點缺陷。因此我們測量了室溫下輻照前后MgO單晶的UV-vis吸收光譜，從而確定點缺陷的種類。圖7是在室溫下測量的輻照前后的（100） MgO單晶的UV-vis吸收光譜。為便于識別，等差選取部分?jǐn)?shù)據(jù)點作圖，并將曲線上下平移。由圖7可以看到，S1樣品的吸收譜是一條平滑的曲線，并未出現(xiàn)任何因缺陷或雜質(zhì)引起的吸收峰，說明未輻照的MgO單晶內(nèi)沒有引入雜質(zhì)，晶體內(nèi)沒有明顯的缺陷，這與之前的漫散射實驗結(jié)果分析一致。當(dāng)樣品被輻照后，可以發(fā)現(xiàn)在290 nm附近出現(xiàn)了一個比較明顯的吸收峰，這在文獻中并沒有出現(xiàn)過。這并非來自于F心、F+心、F2+心或陰離子雙空位引起的吸收峰。其中F心表示的是中性O(shè)原子空位，吸收峰位于252nm 處；F+心表示吸收一個電子的O空位，吸收峰位于247.5 nm處；F2+心表示吸收兩個電子的O空位，陰離子雙空位吸收峰位于355 nm處。Bindhu等［26］分析212 nm處的吸收峰與O離子的低配位有關(guān)，因為在MgO內(nèi)O2-的靜電勢隨著配位而降低。因此我們分析290 nm處吸收峰也必然與O離子空位有關(guān)，可能是某種色心的聚集引起的吸收峰。這表明MgO單晶經(jīng)不同劑量的γ輻照后均產(chǎn)生了陰離子空位。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，與缺陷有關(guān)的吸收峰強度隨著輻照劑量而增加。這說明晶體內(nèi)的缺陷濃度隨著輻照劑量而增加。除了290 nm附近的吸收峰之外，所有樣品并沒有因雜質(zhì)引起的吸收峰，說明樣品沒有受到雜質(zhì)的影響。

圖7　室溫下輻照前后的（100） MgO單晶的UV-vis吸收光譜Fig.7　UV-vis absorption spectra of pristine and irradiated（100） MgO single crystals at room temperature.

通過漫散射以及吸收光譜實驗對輻照前后的MgO單晶分析可知，經(jīng)過γ射線輻照后（100） MgO單晶內(nèi)產(chǎn)生了陰離子O空位，并隨著輻照劑量的增加，陰離子空位濃度增加。結(jié)合漫散射研究結(jié)果分析可知，輻照后的（100） MgO晶體產(chǎn)生了陰離子弗倫克爾缺陷，且隨著輻照劑量的增加，弗倫克爾缺陷的濃度也增大。不同的輻照方法會產(chǎn)生不同的缺陷，比如γ射線輻照更容易產(chǎn)生陰離子缺陷，而中子輻照及離子轟擊等更容易產(chǎn)生陽離子缺陷，并且Mg空位相對O空位不易存在于晶體內(nèi)，更容易恢復(fù)。在γ射線輻照條件下O空位的形成能低于Mg空位的形成能。這些原因?qū)е铝宋覀冊讦蒙渚€輻照的MgO晶體內(nèi)探測到的是O缺陷而非Mg缺陷。

2.4磁性測量

利用SQUID在室溫下測量了部分樣品的磁化強度隨磁場變化的M-H曲線，如圖8所示。通過磁化曲線發(fā)現(xiàn)，輻照后的MgO晶體在室溫下依然表現(xiàn)出抗磁性，當(dāng)溫度在5 K時，樣品表現(xiàn)出了順磁信號的特征。說明MgO單晶經(jīng)過γ射線輻照后磁性并沒有改變，即使在極低的溫度下也沒有呈現(xiàn)出鐵磁性。

圖8?。?00） MgO單晶樣品的磁化曲線Fig.8　Magnetization curves of pristine and irradiated （100）MgO single crystals.

為進一步研究γ射線輻照對MgO單晶磁性的影響，我們測量了S2-S5樣品在ZFC和FC情況下的M-T曲線，分別示于圖9（a）-（d）。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，所有樣品ZFC和FC的M-T曲線沒有變化，幾乎完全重合，與未輻照MgO（001）單晶的ZFC和FC的M-T曲線［27］是一樣的。說明γ射線輻照并沒有改變MgO單晶磁性。Merabet等［28］利用全勢線性綴加平面波方法計算MgO內(nèi)空位對磁性的影響，計算結(jié)果表明，陽離子Mg空位可以使得MgO產(chǎn)生室溫鐵磁性而陰離子O空位卻不能導(dǎo)致室溫鐵磁性的產(chǎn)生。Kuang等［18］利用從頭算方法計算不同陰離子及陽離子空位對MgO磁性的影響，結(jié)果表明只有中性的Mg空位和單電荷的Mg空位才能使MgO產(chǎn)生磁矩，而帶兩個電荷的Mg空位）及所有的O空位均不能使MgO產(chǎn)生磁矩。Gao等［29］也利用從頭算方法計算得出陽離子Mg空位能導(dǎo)致MgO室溫鐵磁性的產(chǎn)生，而陰離子O空位不能導(dǎo)致室溫鐵磁性的產(chǎn)生，同時表明鐵磁性的強弱依賴于Mg空位的濃度。MgO磁矩是因為Mg空位周圍O原子的自旋極化產(chǎn)生。大量實驗也證明了陽離子MgO空位是引起室溫鐵磁性的根本原因［5,30-32］。因此分析（100） MgO單晶經(jīng)γ射線輻照后的磁性沒有發(fā)生變化，主要是因為輻照產(chǎn)生的是陰離子O缺陷而非陽離子缺陷。即MgO晶體中的陰離子空位缺陷并不能導(dǎo)致其產(chǎn)生鐵磁性。

圖9　S2-S5樣品（a-d） ZFC和FC下的磁化強度隨溫度的變化曲線Fig.9　Zero filed cooled and field cooled magnetization as a function of temperature for S2 to S5 （a-d）.

3　結(jié)語

利用60Co γ射線輻射源對（100） MgO單晶進行了輻照處理。通過漫散射實驗發(fā)現(xiàn)，輻照晶體內(nèi)產(chǎn)生了明顯的缺陷。進一步利用UV-vis吸收光譜實驗分析出輻照后的MgO單晶內(nèi)沒有雜質(zhì)引起的吸收峰，而只有在290 nm附近的吸收峰，這是O缺陷的聚集引起的。結(jié)合漫散射實驗結(jié)果，分析可知（100）MgO單晶內(nèi)產(chǎn)生了大量的陰離子弗倫克爾缺陷。并且缺陷的濃度隨著輻照劑量而增大。M-H曲線顯示室溫下的樣品均呈現(xiàn)出抗磁性特征，未出現(xiàn)鐵磁性信號，只有在5 K溫度下才表現(xiàn)出了順磁性信號。ZFC和FC的M-T曲線與未輻照的MgO單晶曲線沒有區(qū)別，說明輻照并未改變（100） MgO單晶的磁性。這說明經(jīng)過γ射線輻照后產(chǎn)生的陰離子弗倫克爾缺陷并不能夠使MgO晶體產(chǎn)生室溫的d0鐵磁性。

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Influence of γ-ray irradiation on the point defect configurations and magnetic properties of MgO single crystals

CAO Mengxiong1MA Yaru1FAN Congli1WANG Xingyu1LIU Hao2WANG Haiou3ZHOU Weiping1MA Chunlin1TAN Weishi1

1（Key Laboratory of Soft Chemistry and Functional Materials, Ministry of Education, Department of Applied Physics,

Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China）
2（Suzhou Institute of Industrial and Technology, Suzhou 215104, China）
3（Institute of Materials Physics, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China）

Background: d0ferromagnetism challenges the understanding of magnetism in insulators. MgO, which is important for magnetic tunnel junctions, is an ideal material for investigating d0ferromagnetism. The ferromagnetism in MgO has attracted great interests. Purpose: This study aims to investigate the influence of γ-ray irradiation on point defect configurations and magnetic properties of （100）-oriented MgO single crystals. Methods: The point defect configurations in irradiated-MgO single crystals were experimentally studied using synchrotron radiation diffuse scattering and ultraviolet-visible （UV-vis） absorption spectroscopy. Based on Huang’s scattering theory, the isointensity profile of diffuse scattering was calculated by MATLAB program. The magnetic properties weremeasured by superconducting quantum interference device （SQUID）. Results: ω-2θ scans and rocking curves of （200）and （311） peaks of samples indicated generation of point defects and lattice distortion in irradiated MgO single crystals. The presence of Frenkel defects in irradiated MgO single crystals was evidenced by reciprocal space mappings around the （200） reflection and UV-vis absorption spectra. The M-H and M-T curves of irradiated MgO single crystals remained the same as that of the unirradiated, demonstrating that the magnetic properties of irradiated MgO were unchanged. Conclusion: Lots of anion vacancies are generated by γ-ray irradiation in （100） MgO single crystals. However, the anion vacancies cannot induce d0ferromagnetism in MgO single crystals.

γ-ray irradiation, MgO single crystal, Point defect, Diffuse scattering, d0ferromagnetism

TAN Weishi, E-mail: tanweishi@njust.edu.cn

TG115.22+3，TG113.22+5

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.100202

國家自然科學(xué)基金（No.U1332106、No.11604067）資助

曹夢雄，男，1987年出生，2006年畢業(yè)于鹽城師范學(xué)院，現(xiàn)為博士研究生，研究領(lǐng)域為磁性材料

譚偉石，E-mail: tanweishi@njust.edu.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China （No.U1332106, No.11604067）First author: CAO Mengxiong, male, born in 1987, graduated from Yancheng Teachers University in 2006, doctoral student, focusing on research of magnetic materials

2016-08-12，

2016-09-13