多孔TiO2薄膜的制備、表征及室溫鐵磁性研究.pdf

1、眾所周知，稀磁半導體微弱的鐵磁性在應用中已經形成了瓶頸，為此，增強這些材料的鐵磁性已迫在眉睫。與此同時，在未摻雜、有缺陷的氧化物中也觀測到了鐵磁性信號，由于其在自旋電子學器件中潛在的應用前景而備受青睞。然而對于應用器件，要求其居里溫度（TC）要高于室溫是一個先決條件。其中，因TiO2具備在可見光和近紅外范圍內的光傳輸特性，高的n型載流子濃度和較高的居里溫度，成為國內外眾多相關領域研究小組的研究對象。然而，如何提高并調控該類材料的磁化強度

2、，仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。為此，我們使用直流反應磁控濺射，在自制的多孔氧化鋁模板上成功制備出了多孔TiO2薄膜，并采用掃描探針顯微鏡(SPM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、能譜儀(EDS)、紫外分光光度計(UV-VIS)和物理性能測試系統(tǒng)(PPMS)等表征儀器對多孔TiO2薄膜的結構和物性進行了一系列表征。發(fā)現多孔TiO2薄膜具有明顯的室溫鐵磁性，而且其磁性能夠簡單調控，滿足自旋電子器件的實際需要。其結果顯示如下:

3、r>　　(1)通過SPM、SEM、XRD和EDS分別對樣品形貌、晶型結構和元素組分進行了表征。從SPM和SEM的掃描圖片，發(fā)現樣品具有明顯的有序多孔結構;分析XRD數據發(fā)現，所有的衍射峰都對應于TiO2的銳鈦礦型物相，并沒有其它的雜相被檢測到;與此對應的EDS測試表明樣品中只含有Al,O和Ti三種元素，并沒有任何磁性雜質元素存在于多孔TiO2薄膜中。
　　(2)使用PPMS-VSM，在室溫條件下對樣品的磁性進行了系統(tǒng)表征。實驗結果

4、表明，當外加場垂直于膜面方向上時，樣品中存在著顯著的室溫鐵磁性，且最大飽和磁化強度高達126emu/cm3，并認為在垂直膜面方向上有如此大的飽和磁化強度與樣品的多孔結構和氧空位密切相關，同時樣品還表現出明顯的磁各向異性。如果樣品在富氧的空氣氛圍內退火處理，其磁性迅速降低。通過與XRD和EDS數據結合分析，表明在多孔TiO2薄膜中表現出的顯著室溫鐵磁性是其本征屬性。
　　(3)為了進一步明確在多孔TiO2薄膜中存在的氧空位是樣品鐵磁

5、性起因，我們使用日本日立公司生產的U-3010紫外可見分光光度計，并且使用氙燈作為激發(fā)光源對樣品進行了光致發(fā)光測試。測試結果表明，存在氧空位的樣品，在520-540nm的波長范圍內具有明顯的冷光發(fā)射峰，并且在空氣氛圍內的條件下退火處理后，其峰位大幅度減弱，與其對應樣品的磁性變化相一致。對于TiO2在520-540nm波長范圍內的峰位，起源于樣品中大量捕獲單電離電子的氧空位(F+)。經退火處理后，大量的F+被富氧空氣中的氧原子替代，導致F

6、+減少，由其激發(fā)的PL譜峰和產生的磁性也隨之減弱。
　　(4)此外，使用其它方法制備的TiO2薄膜和粉末，經測試發(fā)現，在測試儀器精度范圍內，這些樣品中并沒有表現出明顯的室溫鐵磁性。進一步表明在多孔TiO2薄膜中表現出的顯著室溫鐵磁性，與其特殊的多孔結構和捕獲單電離電子的氧空位息息相關。
　　(5)最后給出樣品鐵磁性起源的交換機制。樣品測試數據所表現出來的各種現象表明捕獲單電離電子的氧空位直接交換耦合(F+-F+）作用及具有磁