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TiO2基氧化物半导体磁性的实验研究

2020-12-07阅读(114)

TiO2基氧化物半导体磁性的实验研究

论文摘要

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。

论文目录

  • 中文摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 研究现状和课题设计
  • 1.1 稀磁半导体
  • 1.1.1 稀磁半导体的提出
  • 1.1.2 稀磁半导体的磁输运和磁光性质
  • 1.1.3 稀磁半导体中的铁磁性交换作用
  • 2 磁性的研究现状'>1.2 过渡金属掺杂 TiO2磁性的研究现状
  • 2 的结构和性能'>1.2.1 TiO2的结构和性能
  • 2 磁性的研究现状'>1.2.2 Co 掺杂 TiO2磁性的研究现状
  • 2 磁性的研究现状'>1.2.3 其它过渡金属掺杂 TiO2磁性的研究现状
  • 2 铁磁性的研究'>1.2.4 未掺杂 TiO2铁磁性的研究
  • 1.3 选题依据
  • 第二章 实验方法
  • 2.1 样品的制备
  • 2.1.1 固相反应法
  • 2.1.2 溶胶－凝胶法
  • 2.1.3 磁控溅射
  • 2.2 样品的结构和成份分析方法
  • 2.2.1 X 射线衍射（XRD）
  • 2.2.2 透射电镜（TEM）
  • 2.2.3 X 射线光电子能谱（XPS）
  • 2.2.4 电子顺磁共振波谱（EPR）
  • 2.3 样品物理性能的表征方法
  • 2.3.1 紫外－可见分光光度计
  • 2.3.2 振动样品磁强计（VSM）
  • 2-δ纳米晶粉末的室温铁磁性'>第三章 未掺杂 TiO2-δ纳米晶粉末的室温铁磁性
  • (2-δ0纳米晶粉末'>3.1 溶胶－凝胶法制备 TiO(2-δ0纳米晶粉末
  • 2-δ纳米晶粉末的室温铁磁性'>3.2 锐钛矿 TiO2-δ纳米晶粉末的室温铁磁性
  • 2-δ薄膜的制备和紫外可见光透射谱'>3.3 锐钛矿 TiO2-δ薄膜的制备和紫外可见光透射谱
  • 2-δ纳米晶粉末的室温铁磁性'>3.4 金红石 TiO2-δ纳米晶粉末的室温铁磁性
  • 2-δ纳米晶粉末的室温铁磁性的来源'>3.5 TiO2-δ纳米晶粉末的室温铁磁性的来源
  • 3.6 结论
  • 0.94V0.06O2 粉末电、磁性质的影响'>第四章 附加 Nb、Al 或 Cu 掺杂对 Ti0.94V0.06O2粉末电、磁性质的影响
  • 0.94V0.06O2 多晶粉末的室温铁磁性'>4.1 Ti0.94V0.06O2多晶粉末的室温铁磁性
  • 0.94V0.06O2 粉末电、磁性质的影响'>4.2 附加 Nb 或 Al 掺杂对 Ti0.94V0.06O2粉末电、磁性质的影响
  • 2 粉末的导电性和磁性'>4.3 （Cu,V） 共掺杂 TiO2粉末的导电性和磁性
  • 4.4 结论
  • 2 粉末的磁性'>第五章 Cr 掺杂 TiO2粉末的磁性
  • 2 粉末'>5.1 溶胶－凝胶法制备 Cr 掺杂 TiO2粉末
  • 2 粉末的磁性'>5.2 Cr 掺杂 TiO2粉末的磁性
  • 5.3 Cr 离子价态的 XPS 分析
  • 5.4 EPR 谱分析
  • 2 粉末的铁磁性来源'>5.5 Cr 掺杂 TiO2粉末的铁磁性来源
  • 5.6 结论
  • 第六章 总结
  • 参考文献
  • 攻读博士期间完成的学术论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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