Al摻雜TiO2薄膜磁性質(zhì)的研究.pdf

1、磁性半導(dǎo)體兼?zhèn)涑Ｒ?guī)半導(dǎo)體電子學(xué)材料與磁電子學(xué)材料的優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是21世紀(jì)非常重要的電子學(xué)材料,引起了科研工作者巨大的研究興趣。在磁性半導(dǎo)體中,氧化物稀磁半導(dǎo)體因其具有高于室溫的居里溫度這一特點(diǎn)而成為研究的核心。但磁性起源尚存有爭(zhēng)議,主要原因是磁性摻雜離子形成的具有磁性的金屬團(tuán)簇以及氧化物的干擾難以排除。
　　我們用脈沖激光沉積法(PLD)制備了非磁性Al摻雜TiO2薄膜,利用Al金屬及氧化物均為抗磁性這一特點(diǎn),排除非本征因素影響,

2、提供簡(jiǎn)單明了的研究對(duì)象以明晰TiO2基氧化物稀磁半導(dǎo)體的本征磁性來(lái)源。
　　1Pa氧壓下制備了系列Al摻雜的薄膜,X射線衍射數(shù)據(jù)表明所有的薄膜均為金紅石(200)取向的外延薄膜,室溫磁滯回線的測(cè)量表明Al摻雜TiO2具有室溫鐵磁性。X射線光電子能譜對(duì)樣品元素及價(jià)態(tài)的研究表明,沒(méi)有形成Al金屬團(tuán)簇及氧化物,但產(chǎn)生了Ti3+離子。霍爾效應(yīng)的測(cè)試表明Al摻雜的樣品均是n型半導(dǎo)體,載流子濃度在1017/cm3這一量級(jí)。第一性原理計(jì)算結(jié)果表

3、明氧空位在其磁性起源中起著重要作用。磁性的變化可以用束縛極化子模型來(lái)解釋。Al3+的摻雜會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的氧空位,氧空位的存在會(huì)使鄰近Ti4+還原成具有d電子的Ti3+,從而形成Al3+-VO-Ti3+磁極子結(jié)構(gòu),隨著Al摻雜量的增加Al3+-VO-Ti3+磁極子數(shù)量會(huì)逐漸增多,磁矩也隨之增加,摻雜量超過(guò)某閾值后Al3+-VO-Al3+結(jié)構(gòu)開(kāi)始形成,因此磁矩開(kāi)始減弱。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算均表明Al摻雜所產(chǎn)生的Al3+-VO-Ti3+束縛磁極子是Ti

4、O2薄膜出現(xiàn)本征鐵磁性的主要原因。
　　為了研究氧空位在磁性起源中的作用,我們研究了在真空環(huán)境下生長(zhǎng)的薄膜磁性及輸運(yùn)性質(zhì)的研究。所有的薄膜均為金紅石(200)取向的外延薄膜,且峰位向低角度移動(dòng),說(shuō)明存在著大量的氧空位。室溫磁滯回線的測(cè)量表明Al摻雜TiO2具有室溫鐵磁性。X射線光電子能譜表明產(chǎn)生了Ti3+離子?；魻栃?yīng)的測(cè)試表明Al摻雜的樣品均是n型半導(dǎo)體,載流子濃度在1021/cm3這一量級(jí)。真空下生長(zhǎng)樣品的磁矩要遠(yuǎn)高于氧分壓下

5、生長(zhǎng)的薄膜,而且磁矩與載流子濃度有相同的變化規(guī)律。這是由于載流子濃度過(guò)高,造成了載流子在Ti3+和Ti4+離子間跳躍,從而構(gòu)成d電子的長(zhǎng)程有序排列,形成鐵磁性。
　　總之,Al摻雜TiO2薄膜具有本征的室溫鐵磁性。氧缺陷在磁性起源中具有重要的作用:低濃度的氧缺陷產(chǎn)生少量的載流子,載流子與周圍的Ti離子作用,構(gòu)成束縛極化子,形成室溫鐵磁性;高濃度的氧缺陷會(huì)產(chǎn)生大量的載流子,并在Ti3+和Ti4+離子間跳躍,構(gòu)成d電子的長(zhǎng)程有序排列,