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Al掺杂TiO2薄膜磁性质的研究

作　者: 宋永利
导　师: 王先杰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 稀磁半导体 脉冲激光沉积 束缚磁极子理论 载流子诱导铁磁性模型
分类号: O484.43
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


磁性半导体兼备常规半导体电子学材料与磁电子学材料的优点，被认为是21世纪非常重要的电子学材料，引起了科研工作者巨大的研究兴趣。在磁性半导体中，氧化物稀磁半导体因其具有高于室温的居里温度这一特点而成为研究的核心。但磁性起源尚存有争议，主要原因是磁性掺杂离子形成的具有磁性的金属团簇以及氧化物的干扰难以排除。我们用脉冲激光沉积法（PLD）制备了非磁性Al掺杂TiO2薄膜，利用Al金属及氧化物均为抗磁性这一特点，排除非本征因素影响，提供简单明了的研究对象以明晰TiO2基氧化物稀磁半导体的本征磁性来源。1Pa氧压下制备了系列Al掺杂的薄膜，X射线衍射数据表明所有的薄膜均为金红石（200）取向的外延薄膜，室温磁滞回线的测量表明Al掺杂TiO2具有室温铁磁性。X射线光电子能谱对样品元素及价态的研究表明，没有形成Al金属团簇及氧化物，但产生了Ti3+离子。霍尔效应的测试表明Al掺杂的样品均是n型半导体，载流子浓度在1017/cm3这一量级。第一性原理计算结果表明氧空位在其磁性起源中起着重要作用。磁性的变化可以用束缚极化子模型来解释。Al3+的掺杂会产生相应的氧空位，氧空位的存在会使邻近Ti4+还原成具有d电子的Ti3+，从而形成Al3+-VO-Ti3+磁极子结构，随着Al掺杂量的增加Al3+-VO-Ti3+磁极子数量会逐渐增多，磁矩也随之增加，掺杂量超过某阈值后Al3+-VO-Al3+结构开始形成，因此磁矩开始减弱。实验和理论计算均表明Al掺杂所产生的Al3+-VO-Ti3+束缚磁极子是TiO2薄膜出现本征铁磁性的主要原因。为了研究氧空位在磁性起源中的作用，我们研究了在真空环境下生长的薄膜磁性及输运性质的研究。所有的薄膜均为金红石（200）取向的外延薄膜，且峰位向低角度移动，说明存在着大量的氧空位。室温磁滞回线的测量表明Al掺杂TiO2具有室温铁磁性。X射线光电子能谱表明产生了Ti3+离子。霍尔效应的测试表明Al掺杂的样品均是n型半导体，载流子浓度在1021/cm3这一量级。真空下生长样品的磁矩要远高于氧分压下生长的薄膜，而且磁矩与载流子浓度有相同的变化规律。这是由于载流子浓度过高，造成了载流子在Ti3+和Ti4+离子间跳跃，从而构成d电子的长程有序排列，形成铁磁性。总之，Al掺杂TiO2薄膜具有本征的室温铁磁性。氧缺陷在磁性起源中具有重要的作用：低浓度的氧缺陷产生少量的载流子，载流子与周围的Ti离子作用，构成束缚极化子，形成室温铁磁性；高浓度的氧缺陷会产生大量的载流子，并在Ti3+和Ti4+离子间跳跃，构成d电子的长程有序排列，形成铁磁性。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-22
  1.1 自旋电子学与稀磁半导体  10-13
    1.1.1 自旋电子学  10-11
    1.1.2 稀磁半导体  11-13
  1.2 氧化物稀磁半导体  13
  1.3 氧化物稀磁半导体磁性起源  13-18
    1.3.1 非本征起因  14-15
    1.3.2 稀磁半导体磁性本征起因  15-18
  1.4 TIO_2基稀磁半导体  18-20
    1.4.1 TiO_2简介  18-19
    1.4.2 TiO_2基稀磁半导体的研究  19-20
  1.5 本论文研究内容及目的  20-22
    1.5.1 研究内容  20-21
    1.5.2 研究目的  21-22
第2章 薄膜的制备以及表征方法  22-29
  2.1 PLD 简介  22-23
  2.2 薄膜的制备  23-24
  2.3 薄膜的表征方法  24-29
    2.3.1 X 射线衍射  24-25
    2.3.2 X 射线光电子能谱  25-26
    2.3.3 磁学性质测量  26-27
    2.3.4 霍尔效应测量  27-28
    2.3.5 电阻测试  28-29
第3章 高氧分压下生长 AL: TIO_2薄膜的磁性  29-47
  3.1 AL 掺杂对薄膜磁性的影响  29-37
    3.1.1 结构分析  29-30
    3.1.2 薄膜成分分析  30-34
    3.1.3 磁性质测量分析  34-37
  3.2 氧空位对磁性的影响  37-39
  3.3 磁性起源的探讨  39-42
  3.4 基于束缚极化子理论的第一性原理计算  42-46
  3.5 本章小结  46-47
第4章 真空下生长 AL:TIO_2磁性研究  47-60
  4.1 AL 掺杂对薄膜磁性质的影响  47-56
    4.1.1 样品的表征  47-49
    4.1.2 磁性及电输运性质的测量分析  49-54
    4.1.3 磁性来源分析  54-56
  4.2 生长温度对 AL:TIO_2磁性的影响  56-59
    4.2.1 XRD 测试分析  57
    4.2.2 电学及磁学性质测试分析  57-59
  4.4 本章小结  59-60
结论  60-62
参考文献  62-67
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  67-69
致谢  69

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的性质 > 磁性质
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