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《兰州理工大学》 2012年
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TiO_2基稀磁半导体的制备及性能研究

霍晓迪  
【摘要】:TiO_2是一种宽禁带半导体材料,它具有优良的化学稳定性,良好的介电性质和光催化特性,己被广泛的用作介电材料、太阳能电池、光电转换器、光催化降解污水及各种传感器领域。基于TiO_2在作为半导体材料方面所具有的良好前景,本课题选择TiO_2作为研究氧化物稀磁半导体材料的母体。 为了研究Fe掺杂TiO_2的磁学性能,必须弄清楚各工艺参数对Fe掺杂的TiO_2纳米粉末晶体结构、物相组成的影响,以便据此来排除杂质和相变对磁性的影响。采用溶胶-凝胶的方法在空气气氛下制备了Fe掺杂TiO_2纳米粉末样品,探究了各种工艺参数对Fe掺杂TiO_2纳米粉末晶体结构的影响。实验结果表明:(1)随着陈化时间的减少,晶面间距和晶型保持不变,晶粒尺寸略有增加,晶型结晶度提高。(2)随着退火时间的增加,晶粒尺寸略有增加,晶型结晶度提高,晶型保持不变。(3)随着退火温度的升高,样品中逐渐出现金红石相,但晶粒尺寸有所增长,结晶更完善。其物相转换温度大约在500℃和550℃之间。(4)随着掺杂量的增加,晶粒尺寸变小,结晶度变低,在退火温度较高的情况下会有很多杂相和杂质出现。 在工艺参数为退火温度500℃,掺杂量为4mol%、退火时间为1h、陈化时间为3h的条件下,考察了其它工艺参数(不同的掺杂物、退火气氛、样品形貌)对TiO_2基稀磁半导体晶体结构和磁性的影响。(1)利用溶胶-凝胶法制备了不同掺杂物在不同的退火气氛下的过渡金属掺杂的TiO_2基稀磁半导体,所有的样品均为纯的锐钛矿型,没有其它的杂质和杂相。在不同掺杂物的实验中发现:在TiO_2晶格中掺杂Co元素相比于掺杂Fe能产生更多的氧空位,而Co和Fe元素共掺则会降低氧空位的浓度。在不同的退火气氛的实验中发现:氩气环境中退火能产生更多的氧空位,从而诱导产生更强的室温铁磁性。(2)在退火温度为500℃、Fe掺杂量为4mol%的制备条件下,利用溶胶-凝胶法在空气氛围中制备了粉末材料Ti_(0.96)Fe_(0.04)O_2,利用磁控溅射的方法在空气和真空氛围中制备了薄膜材料Ti_(0.96)Fe_(0.04)O_2。所得样品在空气中退火样品为纯的锐钛矿型结构,在真空中退火样品为非晶结构,可排除其它杂质对磁性的影响。在空气中退火的粉末材料为室温顺磁性,而薄膜材料均为室温铁磁性。可能是薄膜和基底发生相互作用产生了和铁磁性至关重要的氧空位。通过对比在空气和真空气氛下的薄膜材料,发现在真空中退火能够产生更多的氧空位,从而诱导产生更强的铁磁性。 在空气气氛下,保持退火时间(1h)、陈化时间(3h)不变,只通过改变退火温度(450℃和500℃),利用溶胶-凝胶法获得具有室温铁磁性的未掺杂的TiO_2稀磁半导体纳米粉末,即可观察到d0铁磁性。样品表现出室温铁磁性是因为样品中氧空位浓度含量达到了一定的阀值,且退火温度越高,氧空位的浓度越大。这个实验表明:不只有在真空或者氧分压较低的条件退火下才能产生足够多的氧空位,显示出室温铁磁性;在空气中退火,采取适当的制备方法制备纳米粉末样品,同样能够产生足够的氧空位,从而产生室温铁磁性。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB383.1;TN304.21

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