Al摻雜TiO2薄膜磁性質(zhì)的研究.pdf

1、磁性半導體兼?zhèn)涑Ｒ?guī)半導體電子學材料與磁電子學材料的優(yōu)點,被認為是21世紀非常重要的電子學材料,引起了科研工作者巨大的研究興趣。在磁性半導體中,氧化物稀磁半導體因其具有高于室溫的居里溫度這一特點而成為研究的核心。但磁性起源尚存有爭議,主要原因是磁性摻雜離子形成的具有磁性的金屬團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,排除非本征因素影響,

2、提供簡單明了的研究對象以明晰TiO2基氧化物稀磁半導體的本征磁性來源。
　　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,室溫磁滯回線的測量表明Al摻雜TiO2具有室溫鐵磁性。X射線光電子能譜對樣品元素及價態(tài)的研究表明,沒有形成Al金屬團簇及氧化物,但產(chǎn)生了Ti3+離子?；魻栃?yīng)的測試表明Al摻雜的樣品均是n型半導體,載流子濃度在1017/cm3這一量級。第一性原理計算結(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解釋。Al3+的摻雜會產(chǎn)生相應(yīng)的氧空位,氧空位的存在會使鄰近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)量會逐漸增多,磁矩也隨之增加,摻雜量超過某閾值后Al3+-VO-Al3+結(jié)構(gòu)開始形成,因此磁矩開始減弱。實驗和理論計算均表明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)境下生長的薄膜磁性及輸運性質(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,說明存在著大量的氧空位。室溫磁滯回線的測量表明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。霍爾效應(yīng)的測試表明Al摻雜的樣品均是n型半導體,載流子濃度在1021/cm3這一量級。真空下生長樣品的磁矩要遠高于氧分壓下

5、生長的薄膜,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電子的長程有序排列,