掺杂带隙半导体 FeGa$_{3}$中的铁磁不稳定性

我们报告了电子掺杂对带隙为 0.5 eV 的抗磁性半导体 FeGa$_{3}$基态的影响。通过电阻率、磁化强度和比热测量，我们发现 FeGa$_{3-y}$Ge$_{y}$中 Ge 对 Ga 的逐渐取代在极低的 $y = 0.006$ 水平下即产生金属导电性，随后在 $y = 0.13$ 时诱导弱铁磁 (FM) 序，其自发矩为 0.1 $\mu_{B}$/Fe，居里温度 $T_{C}= 3.3$ K；随着掺杂量达到 $y = 0.41$，该温度持续升高至 $T_{C} = 75$ K。铁磁态的出现伴随着量子临界行为，如比热中观察到的 $C/T \propto -$ln$T$ 以及磁化率中的 $M/B \propto T^{-4/3}$。在 $y= 0.09$ 时，比热除以温度 $C/T$ 达到 70 mJ/K$^{2}$molFe 的大值，是 FeSi$_{1-x}$Ge$_{x}$ ($x_{c}= 0.37$) 和 Fe$_{1-x}$Co$_{x}$Sb$_{2}$ ($x_{c}=0.3$) 在其各自铁磁量子临界点报道值的两倍。尽管 FeGa$_{3-y}$Ge$_{y}$的带隙比 FeSi 和 FeSb$_{2}$大一个数量级，但其临界浓度 $y_{c}=0.13$ 却相当小。相比之下，在 Fe$_{1-x}$Co$_{x}$Ga$_{3}$中用 Co 取代 Fe，在整个 $0 \leq x \leq 1$ 范围内均未出现铁磁态，尽管这两种取代方式都应向 FeGa$_{3}$掺杂电子。在 FeGa$_{3-y}$Ge$_{y}$中发现的铁磁不稳定性表明，Fe 3d - Ga 4p 杂化的扰动诱发了强电子关联。