氧空位對有序多孔金屬氧化物薄膜物性的影響.pdf

1、對于稀磁半導(dǎo)體的研究，最有趣的發(fā)現(xiàn)之一是觀察到未摻雜寬帶隙半導(dǎo)體的室溫鐵磁性。雖然對于室溫鐵磁性的起因說法不一，但是氧空位對這類材料鐵磁性的影響已經(jīng)達(dá)成共識。近期的研究發(fā)現(xiàn)，氧空位對金屬氧化物的物理性質(zhì)影響非常大，比如鐵電性，鐵磁性以及電阻開關(guān)特性，從而受到人們廣泛地關(guān)注。但是研究過程遇到的問題是室溫鐵磁性特別弱。由固體物理知識得知，氧空位一般存在于固體材料的表面。因此，若想提高金屬氧化物的鐵磁性，需要找到具有較大表面積的材料。多孔陽極

2、氧化鋁(PAA)，天然具有比較大的比表面積。因此，我們采用二次陽極氧化法在不同電解液中制備不同孔徑的PAA薄膜，并研究PAA薄膜的形貌、鐵電性、鐵磁性以及電阻開關(guān)特性。為了研究其他多孔金屬氧化物的性質(zhì)，我們選取PAA為基底，利用直流磁控濺射法制備多孔ZnO，Cu2O，TiO2以及Ag摻雜ZnO薄膜。研究這些多孔材料的物理性質(zhì)及其起因。通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)、X射線能量散射譜(EDS)、掃描探針顯微鏡(SPM)、紫外可見

3、分光光度計(jì)(UV-vis)、X射線衍射儀(XRD)和物理性能測試儀(PPMS)等手段對多孔金屬氧化物的結(jié)構(gòu)和物性進(jìn)行表征。其結(jié)果顯示如下:
　　(1)采用二次陽極氧化法在不同電解液中制備了不同孔徑的PAA薄膜。通過PPMS表征，我們發(fā)現(xiàn)不同電解液制備的PAA薄膜均顯示較弱的室溫鐵磁性，并且具有很大的磁各向異性。磁化強(qiáng)度可以通過退火條件來調(diào)控，表明其室溫鐵磁性源于捕獲電子的氧空位;對草酸電解液制備的PAA薄膜進(jìn)行鐵電測試顯示PAA薄

4、膜具有很好的電滯回線，分析認(rèn)為氧空位是正電中心，容易捕獲電子，排斥帶正電的金屬離子，吸引陰離子，導(dǎo)致薄膜中正負(fù)電荷中心不重和，產(chǎn)生電偶極矩，從而引起了鐵電性;對草酸電解液制備的PAA薄膜進(jìn)行I-V測試顯示PAA薄膜具有很好的電阻開關(guān)特性，由于大量的氧空位容易在孔壁形成導(dǎo)電通路，所以在直流掃描過程中，PAA薄膜會產(chǎn)生穩(wěn)定的高阻態(tài)和低阻態(tài);對于不同阻態(tài)下PAA薄膜的磁性測試顯示高阻態(tài)下的磁化強(qiáng)度遠(yuǎn)大于低阻態(tài)下的磁化強(qiáng)度。由于不同阻態(tài)下氧空位

5、捕獲電子的概率不同，高阻態(tài)下電子容易被捕獲，而捕獲電子的氧空位具有了局域磁矩，進(jìn)一步揭示出室溫鐵磁性源于捕獲電子的氧空位這一結(jié)論的正確性。因此，PAA薄膜的磁性不僅可以通過退火條件調(diào)控，也可以通過小電場來調(diào)控。
　　(2)以PAA為基底，利用直流磁控濺射法制備了多孔的ZnO薄膜。所有的多孔ZnO薄膜均具有顯著的室溫鐵磁性，并且顯示出很大的磁各向異性。ZnO薄膜的孔徑隨著濺射時(shí)間的延長而逐漸減小，也就是表面/體積比逐漸減小。而且，在

6、磁場垂直于薄膜方向，薄膜的飽和磁化強(qiáng)度隨著濺射時(shí)間的延長而逐漸減弱。說明表面/體積比減小，對應(yīng)著薄膜中缺陷濃度降低，從而影響薄膜的磁化強(qiáng)度。說明多孔ZnO薄膜的鐵磁性由氧空位引起，與理論計(jì)算結(jié)果一致。通過對Ag/ZnO-PAA/A1器件的I-V表征，Ag/ZnO-PAA/A1器件展現(xiàn)穩(wěn)定的雙極電阻開關(guān)特性，說明薄膜中含有大量的氧空位。氧氣退火和真空退火后Ag/ZnO-PAA/A1器件的I-V曲線明顯不同，說明它們的導(dǎo)電機(jī)制不同。制備態(tài)器

7、件的導(dǎo)電機(jī)制可以用肖特基勢壘模型解釋。
　　(3)以PAA為基底，利用磁控濺射法制備了多孔Cu2O薄膜。發(fā)現(xiàn)薄膜具有顯著的鐵磁性。最大的垂直于薄膜表面的飽和磁化強(qiáng)度大約為94emu/cm3。PL光譜顯示鐵磁性源自氧空位。鐵磁性可以通過氧氣退火改變氧空位的濃度來調(diào)節(jié)。這些結(jié)果表明鐵磁性的起因是帶有局域磁矩的氧空位之間的耦合，與PAA和ZnO薄膜的結(jié)果類似。
　　(4)以PAA為基底，利用磁控濺射法制備了多孔TiO2薄膜。為了比

8、較多孔的與致密的薄膜之間的差異，我們利用相同的方法，在玻璃基底上制備Fe摻雜TiO2薄膜。研究它們的室溫鐵磁性。對比二者的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)多孔薄膜的磁化強(qiáng)度大約是致密薄膜的10倍。這進(jìn)一步證明多孔薄膜的室溫鐵磁性是本征的，絕不是由磁性污染引起的。
　　(5)以PAA為基底，應(yīng)用相同的方法制備了Ag摻雜ZnO薄膜，研究了非磁性摻雜對多孔薄膜室溫鐵磁性的影響。與未摻雜ZnO薄膜相比，Ag摻雜ZnO薄膜的室溫鐵磁性減弱。原因是Ag摻雜ZnO之