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《天津大学》 2009年
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TiO_2基氧化物半导体磁性的实验研究

赵倩  
【摘要】: 掺杂氧化物半导体作为稀磁半导体的一种候选材料,其铁磁性的研究在近几年来受到了极大的重视,TiO2基半导体磁性的研究是其中最活跃的课题之一。本文致力于未掺杂、V掺杂和Cr掺杂TiO2的磁性的实验研究,关注点是室温铁磁性及其来源。 用溶胶-凝胶法制备了锐钛矿和金红石TiO2-δ纳米粉末,用射频磁控溅射方法制备了锐钛矿TiO2-δ薄膜。M-H和ZFC-FC曲线都表明在还原气氛中退火的TiO2-δ纳米粉末具有室温铁磁性,且在相同的退火时间下或在相同的还原气氛下退火时随着还原气氛的增强或退火时间的延长而增强。Ti 2p密集扫描XPS谱分析表明粉末中的Ti离子都是+4价的,不存在Ti2+和Ti 3+离子。对样品XRD、O 1s密集扫描XPS谱和UV-vis吸收谱(以及薄膜的UV-vis透射谱)的分析皆表明,在相同的退火时间下或在相同的还原气氛下退火粉末时,其氧空位浓度随着还原气氛的增强或退火时间的延长而增加。综合这些结果,纯TiO2?δ纳米粉末的铁磁性来源于氧空位,而不是Ti2+或Ti3+离子之间的交换作用,可以用类似Coey提出的分子轨道模型来解释这种铁磁性。 用溶胶-凝胶法和固相反应法制备了金红石Ti0.94V0.06O2粉末,用固相反应法分别制备了具有附加Nb、Al或Cu掺杂的金红石Ti0.94V0.06O2粉末。磁性测量表明,未退火的粉末具有显著的室温铁磁性但不存在反铁磁耦合,在Ar气中退火后其铁磁性仅略有增加,其铁磁性主要来源于掺杂的V离子,氧空位对引入铁磁性也有贡献。附加电子掺杂(Nb5+)或空穴掺杂(Al 3+)都减小电阻率,也大大削弱了铁磁性,这个结果与仅当没有任何其它载流子缺陷或附加掺杂时V掺杂TiO2才具有铁磁基态的理论预言相符。虽然附加Cu掺杂也使金红石Ti0.94V0.06O2粉末的铁磁性减弱电阻率减小,但附加1%Cu掺杂的样品具有一定的室温铁磁性和导电性。 用溶胶-凝胶法制备了Cr掺杂TiO2粉末,样品具有很强的顺磁性和很弱的铁磁性。顺磁性随着掺杂量增加而增强,铁磁性表现为随着掺杂量的增加或在Ar气中退火饱和磁化强度增大矫顽力减小。Cr 2p区密集扫描XPS谱显示,样品中Cr离子都是+3价的。EPR谱分析进一步确认掺入的Cr3+离子以孤立的和成团的两种形式分布。顺磁性来源于Cr3+离子,铁磁性来源于由掺杂引入的结构缺陷。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN304.21

【共引文献】
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