Khái niệm polaron từ liên kết (BMPs) trong các chất bán dẫn từ được giới thiệu lần đầu tiên để giải thích sự chuyển dịch kim loại – điện môi tại nhiệt độ thấp trong vật liệu EuO bị khuyết thiếu ôxy [125]. Trong mô hình BMP, các khuyết thiếu ôxy đóng vai trò như các donor điện tử và như các bẫy
điện tử có thể kết hợp các điện tử và duy trì đặc tính điện môi. Với mỗi cặp
điện tử bẫy, các mômen định xứ của tinh thể gốc nằm bên trong quỹ đạo sắt từ của nó, dẫn tới một polaron liên kết với một mômen từ lớn. Nếu các polaron lân cận không tương tác mạnh, pha thuận từ điện môi được tạo thành. Tuy nhiên với các khoảng cách polaron – polaron nào đó và các kết hợp của các hằng số trao đổi mômen định xứ - điện tử và điện tử - điện tử, các polaron này có thể kết cặp mang đặc tính sắt từ [6], [30]. Việc tiên đoán một cách
định lượng là rất khó, nhưng khoảng cách tới hạn trên mà trao đổi giữa hai BMP trở thành sắt từ là cỡ của một vài bán kính Bohr [6]. Độ lớn của tương tác trao đổi sau đó giảm mạnh theo khoảng cách. Trên một vài mật độ điện tử
tới hạn, thế hút của khuyết thiếu bị chắn, các điện tử donor trở thành không liên kết, và hệ này mang tính kim loại (tương tự cho sự chuyển kim loại –
điện môi Mott) [81] và phụ thuộc vào nhiệt độ, hoặc thuận từ hoặc sắt từ. Giản đồ pha BMP lý thuyết được trình bày trên hình 1.3. Với trường hợp hạt tải định xứ, tính sắt từ được giải thích các hạt tải này tạo thành các polaron liên kết và các polaron này thấm ở nhiệt độ Tc. Mô hình này phù hợp với bán dẫn không giàu hạt tải điện tích. Dietl và các cộng sự [28] đã sử dụng mô hình này dựa trên tương tác giữa các hạt tải và các spin định xứ, để giải thích tính sắt từ trong các bán dẫn III-V và II-VI trong ôxit nền bán dẫn pha từ loãng. Theo đó, các tương quan sắt từ được sắp xếp bởi các lỗ trống từ các acceptor nằm trong một ma trận các spin định xứ trong bán dẫn pha tạp có từ tính. Thí dụ, khi pha tạp ion Mn vào bán dẫn II-VI có thể cho spin định xứ. polaron từ
tính liên kết là do sự kết hợp của tương tác trao đổi Coulomb và tương tác trao đổi từ. Trao đổi từ giữa các hạt tải và tạp từ đã phân cực các ion từ
trong vòng quỹ đạo hạt tải. Vì vậy, nó tạo nên một thế năng bẫy hạt tải. Các polaron từ này được xác định tốt tại nhiệt độ thấp và mật độ hạt tải thấp tương
ứng.
Hình 1.3. Giản đồ pha của bán dẫn khuyết thiếu ôxy pha tạp với các tạp từ. Các pha khác nhau như là các hàm của mật độ hạt tải n và nhiệt độ T. Các polaron từ liên kết trong pha BMP có thể liên kết sắt từ. Chuyển dịch đặc trưng: (1) sự chuyển dịch FM – PM trong pha kim loại ở TC. (2) sự chuyển điện môi-kim loại như các nút khuyết thiếu đã được trình bày khi n ≥ nc, (3) sự chuyển kim loại- điện môi khi các điện tử trở nên bị kích thích nhiệt vào trong vùng dẫn, và (4) là sự chuyển dịch từ các polaron từ liên kết thành các spin trật tự sắt từ nguyên tử [81].
Hình 1.4 chỉ ra một sơ đồ của sự thấm từ. Kích thước của polaron tăng khi nhiệt độ giảm dẫn đến sự xen phủ các polaron từ liên kết và vì vậy tạo ra trật tự sắt từ. Gần đây, Coey và cộng sự [23], đã đưa ra một báo cáo về sự trao đổi vùng tạp donor trong các ôxit bán dẫn pha từ loãng. Họ cũng chỉ ra rằng từ
từ liên kết xuất hiện qua một quá trình đã được kích hoạt. Vì vậy, điện trở của hệ phụ thuộc vào cả năng lượng liên kết hạt tải và sự phân cực do trao đổi từ.
Hiệu ứng của từ trường trong hệ này là để sắp xếp thẳng hàng các polaron không liên kết theo cách như vậy mà phần phân cực của năng lượng liên kết bị khử. Từ trở trong các hệ này sẽ âm và phụ thuộc theo hàm mũ.
Hai mô hình trên đã được áp dụng để giải thích tính chất sắt từ trong vật liệu ôxit nền bán dẫn pha từ loãng đang được nghiên cứu hoàn thiện. Đây sẽ
là một bước tiến đáng kể trong việc hiểu bản chất sắt từ trong các bán dẫn ôxit.
1.2.2. Các vật liệu ôxit bán dẫn pha từ loãng
Như đã đề cập ở trên, so với các vật liệu dẫn điện từ tính khác (Bảng 1.1), vật liệu ôxit bán dẫn pha từ loãng có nhiệt độ Curie cao là một ưu thế nổi trội.
Bảng 1.1.Các đặc tính của các vật liệu dẫn điện từ tính điển hình [36]. Vật liệu Tc Độ phân cực