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(dǎo)體微弱的鐵磁性在應(yīng)用中已經(jīng)形成了瓶頸，為此，增強(qiáng)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(xué)器件中潛在的應(yīng)用前景而備受青睞。然而對于應(yīng)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(nèi)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(nèi)外眾多相關(guān)領(lǐng)域研究小組的研究對象。然而，如何提高并調(diào)控該類材料的磁化強(qiáng)度

2、，仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。為此，我們使用直流反應(yīng)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(jié)構(gòu)和物性進(jìn)行了一系列表征。發(fā)現(xiàn)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(diào)控，滿足自旋電子器件的實(shí)際需要。其結(jié)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(jié)構(gòu)和元素組分進(jìn)行了表征。從SPM和SEM的掃描圖片，發(fā)現(xiàn)樣品具有明顯的有序多孔結(jié)構(gòu);分析XRD數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，所有的衍射峰都對應(yīng)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(yīng)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(zhì)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(jìn)行了系統(tǒng)表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4、表明，當(dāng)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(qiáng)度高達(dá)126emu/cm3，并認(rèn)為在垂直膜面方向上有如此大的飽和磁化強(qiáng)度與樣品的多孔結(jié)構(gòu)和氧空位密切相關(guān)，同時樣品還表現(xiàn)出明顯的磁各向異性。如果樣品在富氧的空氣氛圍內(nèi)退火處理，其磁性迅速降低。通過與XRD和EDS數(shù)據(jù)結(jié)合分析，表明在多孔TiO2薄膜中表現(xiàn)出的顯著室溫鐵磁性是其本征屬性。
　　(3)為了進(jìn)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(chǎn)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(jìn)行了光致發(fā)光測試。測試結(jié)果表明，存在氧空位的樣品，在520-540nm的波長范圍內(nèi)具有明顯的冷光發(fā)射峰，并且在空氣氛圍內(nèi)的條件下退火處理后，其峰位大幅度減弱，與其對應(yīng)樣品的磁性變化相一致。對于TiO2在520-540nm波長范圍內(nèi)的峰位，起源于樣品中大量捕獲單電離電子的氧空位(F+)。經(jīng)退火處理后，大量的F+被富氧空氣中的氧原子替代，導(dǎo)致F

6、+減少，由其激發(fā)的PL譜峰和產(chǎn)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(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，在測試儀器精度范圍內(nèi)，這些樣品中并沒有表現(xiàn)出明顯的室溫鐵磁性。進(jìn)一步表明在多孔TiO2薄膜中表現(xiàn)出的顯著室溫鐵磁性，與其特殊的多孔結(jié)構(gòu)和捕獲單電離電子的氧空位息息相關(guān)。
　　(5)最后給出樣品鐵磁性起源的交換機(jī)制。樣品測試數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出來的各種現(xiàn)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