氧化镓（Ga2O3）是一种宽带隙半导体，带隙约为4.8电子伏特，具有开发高功率电子设备、太阳盲光电探测器、深紫外光电子器件和高温传感器的巨大潜力。其较大的带隙使其具有高击穿电压、低漏电流和优异的热稳定性，使其成为下一代电力和光电子应用的理想材料。Ga2O3存在五种不同的多形体（α、β、γ、δ和ε），其中β相在热力学上最稳定，也是研究最广泛的[1]、[2]。
除了其成熟的电子和光学应用外，氧化镓（Ga2O3最近还成为自旋电子学、稀磁半导体（DMS）和铁磁半导体（FMS）应用的有希望的候选材料[3]。在单一材料系统中同时整合电学、光学和磁学功能，为实现低功耗、高速度和多功能自旋基电子设备（如自旋发光二极管（spin-LEDs）和磁隧道结（MTJs）提供了独特平台[4]、[5]、[6]。在这方面，掺有磁性离子（如(In, Fe)Sb、(Ga, Fe)Sb、(Zn, Co)O和(Ga, Mn)O）的DMS和FMS半导体展示了耦合电荷和自旋自由度的能力，从而弥合了传统半导体技术和自旋电子学之间的差距[7]、[8]、[9]。近年来，由于在下一代自旋电子学和量子器件架构中的潜力，低维DMS和FMS系统引起了广泛关注。然而，大多数报道的系统仅在远低于室温的温度下表现出铁磁性，这对它们的实际应用构成了关键限制。
例如，二维材料如VI3（居里温度TC约为46.8 K）和VClBr2（TC约为5 K），一维结构如掺锰的GaN纳米线（TC约为170 K），以及过渡金属掺杂的氧化物如ZnO，都表现出较低的居里温度（TC），导致在室温下呈现顺磁性质。这种行为主要是由于维度降低，减弱了交换作用并限制了长程磁有序。此外，低载流子浓度、结构缺陷和次级磁相的存在进一步抑制了固有的铁磁耦合，使铁磁稳定性仅限于低温范围[10]、[11]、[12]、[13]。
实现DMS或FMS在室温下工作的最有效策略之一是使用过渡金属（TM）掺杂的宽带隙半导体，其中Fe、Co、Ni、Cr和Mn等元素被广泛研究[14]、[15]。在宽带隙半导体中，Ga2O3表现出显著的多功能性，能够容纳多种TM掺杂剂，同时由于镓空位的存在还表现出与自旋相关的固有性质[16]、[17]。先前的研究，如Nayek等人的研究，表明在Ga2O3中掺锰具有优异的可调性，在测试的TM中实现了最高的磁矩[18]。同样，Dai等人报告了掺锰的Ga2O3（GMO）薄膜在室温下的铁磁性（RTFM），这是由于丰富的氧空位（VO）与Mn离子之间的强交换作用[19]，而Pei等人将观察到的铁磁性归因于载流子介导的双交换机制[20]。相比之下，Guo等人认为，在高电阻率的Ga2O3中，铁磁性来源于Mn离子与氧空位（VO）之间的相互作用，这一点通过Mn浓度增加时饱和磁化强度（MS）和矫顽场（HC的提高得到了证实，特别是在Mn3+/Mn4+氧化态下[21]。
迄今为止，大多数关于铁磁Ga2O3的报告依赖于复杂且成本高昂的制备技术，如光化学气溶胶沉积（PAD）、脉冲激光沉积（PLD）、激光分子束外延（MBE）、球磨和离子注入[22]、[23]、[24]、[25]。在这项工作中，我们首次使用简单、成本效益高且自主研发的Mist CVD系统合成了具有铁磁行为的掺锰β-Ga2O3薄膜，如图1所示。这种方法能够在常温条件下实现可扩展和可控的薄膜生长，显著降低了将磁功能集成到基于Ga2O3的器件中的障碍。通过这种简便的方法实现铁磁性，标志着向基于宽带隙半导体的实用、低成本光自旋电子学应用迈出了重要一步。
Mist CVD通过使用超声换能器将前驱体溶液雾化成细小液滴（雾状），用载气输送这些液滴，并在加热的基底上热分解前驱体以形成所需的薄膜。这种方法消除了对高真空设备的需求，并允许精确控制成分，使其非常适合低成本的大面积均匀沉积[26]。在本研究中，我们首先通过优化基底温度合成了高质量的单斜相β-Ga2O3薄膜。随后，引入不同浓度的Mn掺杂，以确定增强铁磁行为的最佳组成。结果证明Mist-CVD是一种高效、可扩展和可调的方法，可用于合成不同的FMS系统，为自旋电子学、磁传感器和自旋驱动的光电设备应用开辟了新的途径。
