過(guò)渡金屬和非金屬共摻雜二氧化鈦稀磁研究.pdf

1、過(guò)渡金屬（比如Mo，Ag，Mn和Ru等）元素替代非磁性半導(dǎo)體中的一些原子形成了稀磁半導(dǎo)體(DMSs)，其兼具半導(dǎo)體的磁性材料的磁學(xué)性質(zhì)與電學(xué)性質(zhì)，而且在大規(guī)模集成電路，高頻率器件和光電子器件等方面得到了廣泛的運(yùn)用，因而引起研究者的廣泛關(guān)注。關(guān)于稀磁半導(dǎo)體的室溫鐵磁性現(xiàn)象研究者開(kāi)展了越來(lái)越多的理論與實(shí)驗(yàn)研究。但是，研究者依舊沒(méi)有清楚的理解在稀磁半導(dǎo)體中的的室溫鐵磁性的來(lái)源機(jī)理，一些研究者認(rèn)為是不同摻雜的過(guò)渡金屬離子所產(chǎn)生了室溫鐵磁性，一些

2、研究者則認(rèn)為是因?yàn)楦鞣N不同缺陷的形成所產(chǎn)生的。為了更確切的理解稀磁半導(dǎo)體中室溫鐵磁性的起源，本論文重點(diǎn)利用實(shí)驗(yàn)與第一性原理計(jì)算相結(jié)合的方法來(lái)研究過(guò)渡金屬和非金屬共摻雜二氧化鈦(TiO2)的室溫鐵磁性的來(lái)源機(jī)理。主要研究工作包括:
　　1.Au摻雜和未摻雜TiO2納米顆粒薄膜是利用溶膠-凝膠和濺射的試驗(yàn)方法所制備的，X射線衍射(XRD)測(cè)試顯示所制備的TiO2樣品全部表現(xiàn)為銳鈦礦相結(jié)構(gòu)，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Au團(tuán)簇或者第二相的產(chǎn)生;通過(guò)紫外可

3、見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-vis)的測(cè)試，在樣品中Au主要是是以Au團(tuán)簇的形式存在的并非Au金屬。X射線光電子能譜(XPS)的測(cè)試認(rèn)為，Au團(tuán)簇?fù)诫s的TiO2(在空氣氣氛下退火)樣品中Au以Au0存在于樣品中，通常情況下氧空位(Vo)誘導(dǎo)Ti3+的形成，但Au團(tuán)簇?fù)诫s的TiO2(在空氣或N2氛圍下退火)樣品中均只有Ti4+存在且并未發(fā)現(xiàn)Ti3+，所以為了證明Vo的存在我們又做了熒光光度計(jì)(PL)測(cè)試。PL測(cè)試表明TiO2樣品均有Vo存在。通過(guò)

4、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)試展示TiO2樣品都表現(xiàn)了室溫鐵磁性(RTFM)行為，所有樣品的飽和磁化強(qiáng)度(Ms)的順序如下:Au摻雜TiO2納米顆粒薄膜（在N2氣氛下退火）＞未摻雜的TiO2納米顆粒薄膜（在空氣氣氛下退火）＞ Au摻雜TiO2納米顆粒薄膜（在空氣氣氛下退火）;第一性原理計(jì)算得出Au團(tuán)簇?fù)诫sTiO2薄膜的形成能低于Vo和Au團(tuán)簇共摻雜的TiO2薄膜。在Au團(tuán)簇?fù)诫s的TiO2薄膜中，表面Vo因?yàn)锳u團(tuán)簇?fù)诫s從而抑制了它的形成，

5、電子從Ti3d轉(zhuǎn)移到Au5d。在Au摻雜TiO2薄膜（在N2氛圍下退火）中，大量的Vos和Au團(tuán)簇導(dǎo)致了Ti3d和O2p自旋分裂，因此導(dǎo)致了相對(duì)比較高的飽和磁化強(qiáng)度(Ms)，結(jié)果是Vo在其磁性來(lái)源中起著十分重要的作用。
　　2.利用溶膠-凝膠的實(shí)驗(yàn)方法制備了Fe摻雜和Fe-C共摻雜TiO2納米顆粒薄膜，XRD測(cè)試展示，所有制備的TiO2樣品均只有銳鈦礦相結(jié)構(gòu);利用UV-vis的測(cè)試顯示Fe-C共摻雜TiO2納米顆粒薄膜吸收帶邊發(fā)生

6、紅移，可能是Fe或C元素的摻雜導(dǎo)致了帶隙的縮減;通過(guò)PL測(cè)試發(fā)現(xiàn)所有樣品均存在Vo; VSM測(cè)試表明所有樣品都有磁滯回區(qū)，呈現(xiàn)出了室溫鐵磁性(RTFM)，Ms的順序如下:Fe-C共摻雜TiO2＞Fe-C共摻雜TiO2(在O2氛圍下退火)＞C摻雜TiO2＞C摻雜TiO2(在O2氛圍下退火);利用第一性原理計(jì)算得出在Vo存在的情況下，F(xiàn)e-C共摻雜TiO2薄膜凈磁矩＜Fe-C共摻雜TiO2薄膜凈磁矩，由此，第一性原理計(jì)算的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本

7、保持一致。
　　3.通過(guò)兩步陽(yáng)極氧化法制備Mo摻雜和Mo-N共摻雜TiO2納米管薄膜，XRD測(cè)試暗示，Mo或N原子成功摻入到TiO2銳鈦礦結(jié)構(gòu)中;通過(guò)PL測(cè)試發(fā)現(xiàn)樣品均存在Vo;VSM測(cè)試顯示，所有制備的樣品都具有室溫鐵磁性，同時(shí)Ms的順序如下:Mo-N共摻雜TiO2納米管＞Mo摻雜TiO2納米管＞N摻雜TiO2納米管＞不摻雜TiO2納米管;所以，Ms的最大是Mo-N共摻雜TiO2納米管薄膜的，Ms的提高可能是因?yàn)樗鶕诫s的Vo，M