稀土(Sm，Gd)摻雜TiO-,2-稀磁半導(dǎo)體的制備和磁性研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體學(xué)是自旋電子學(xué)的一個(gè)重要分支。稀磁半導(dǎo)體是將磁性離子摻入傳統(tǒng)非磁性半導(dǎo)體并占據(jù)其晶格位置，從宏觀上表現(xiàn)出磁性。稀磁半導(dǎo)體將同時(shí)利用載流子的電荷和自旋態(tài)兩個(gè)自由度，從而使得高密度半導(dǎo)體集成電路、非易失性存儲(chǔ)器等器件的實(shí)現(xiàn)成為可能。 自從2001年Y.Matsumoto等人報(bào)道，少量Co注入TiO2而形成的銳鈦礦薄膜具有室溫鐵磁性，加快了氧化物半導(dǎo)體室溫鐵磁性的實(shí)驗(yàn)制備及理論研究工作。目前稀磁半導(dǎo)體氧化物的室溫磁性研究主要

2、集中于Mn、Cr、Fe、V、Ni等過(guò)渡金屬摻雜ZnO，SnO2或TiO2薄膜或納米顆粒，研究了不同的制備工藝及具有爭(zhēng)議的磁性起源。 稀土摻雜材料取得了廣泛的應(yīng)用。人們大量研究了稀土摻雜半導(dǎo)體氧化物ZnP、ZrO2、SnO2和TiO2材料的發(fā)光等光學(xué)性能。然而，相關(guān)領(lǐng)域幾乎沒(méi)有稀土摻雜稀磁半導(dǎo)體氧化物的室溫鐵磁性研究。TiO2具有相近的禁帶寬，高折射率等性質(zhì)，使其更容易被摻雜。為了能夠從理論上更深刻地來(lái)理解稀磁半導(dǎo)體的磁性機(jī)理及得

3、到更好的性能，在論文中用sol-gel制備了稀土（Sm，Gd）摻雜TiO2基稀磁半導(dǎo)體氧化物納米晶顆粒樣品。 本研究用溶膠-凝膠法制備了稀土Sm，Gd摻雜TiO2基稀磁半導(dǎo)體的納米晶顆粒樣品。 溶膠-凝膠法制備的Ti1-xSmxO2，Ti1-xGdxO2（0≤x≤0.06）納米晶顆粒，再經(jīng)過(guò)不同溫度的退火處理，得到所需的樣品。 用X射線(xiàn)衍射（XRD）來(lái)測(cè)量分析樣品的結(jié)構(gòu)。所有在500℃退火得到的樣品都表現(xiàn)為銳鈦礦

4、結(jié)構(gòu)，Ti1-xSmxO2（0≤x≤0.06）樣品在650℃時(shí)開(kāi)始向金紅石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，而Ti1-xGdxO2（0≤x≤0.06）樣品的轉(zhuǎn)變溫度在600℃。在所有樣品中都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Sm、Gd及其對(duì)應(yīng)氧化物的雜峰。并發(fā)現(xiàn)平均晶粒大小隨溫度升高、摻雜量增加而增大。 拉曼光譜對(duì)Ti0.98Sm0.02O2納米晶顆粒樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)所有拉曼峰都來(lái)自于銳鈦礦結(jié)構(gòu)，任何的雜相峰都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，表明Sm完全摻入TiO2的晶格中。 X射線(xiàn)

5、光電子能譜（XPS）來(lái)確定樣中Sm元素的化合態(tài)。發(fā)現(xiàn)在樣品顆粒中Sm是以+3價(jià)的Sm3+存在的。無(wú)論是圖像中Sm 3d 5/2和Sm 3d 3/2的位置，還是他們之間能量的差異，都表明在樣品中Sm是以離子形式存在的，同時(shí)證明了樣品中沒(méi)有Sm團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。 實(shí)驗(yàn)中利用交變梯度磁強(qiáng)計(jì)（AGM）對(duì)樣品的磁性能進(jìn)行了測(cè)量。 實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)所有的Ti1-xSmxO2和Ti1-xGdxO2（0≤x≤0.06）納米晶顆粒樣品都具有明顯的室溫

6、鐵磁性。研究了不同稀土摻雜量對(duì)Ti1-xSmxO2和Ti1-xGdxO2（0≤x≤0.06）納米晶顆粒樣品磁性的影響，發(fā)現(xiàn)稀土摻雜能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)樣品的鐵磁性，并存在一個(gè)最佳摻雜量，大約在摻雜量為x=0. 01。本文對(duì)稀土摻雜TiO2室溫鐵磁性產(chǎn)生的可能機(jī)制進(jìn)行了探討。 為了進(jìn)一步研究氧空位對(duì)Sm-TiO2基稀磁半導(dǎo)體鐵磁性的影響，對(duì)制備的樣品進(jìn)行了真空退火。用AGM對(duì)真空退火樣品進(jìn)行了磁性測(cè)量，發(fā)現(xiàn)真空退火樣品比空氣中退火樣品的磁性

7、要強(qiáng)得多。這是因?yàn)樵谡婵?，樣品就更容易產(chǎn)生氧空位，高濃度的氧空位會(huì)使得樣品具有更好的室溫鐵磁性。因此，本研究相信氧空位的存在對(duì)Sm-doped TiO2稀磁半導(dǎo)體的室溫鐵磁性是至關(guān)重要的。 同時(shí)，樣品的鐵磁性隨著退火溫度的升高而降低。隨著空氣氛圍下退火溫度的升高，樣品的平均粒徑增大，納米晶樣品的結(jié)構(gòu)就會(huì)越完善，從而使得樣品中氧空位的濃度減少。這種情況下，低溫下退火就會(huì)產(chǎn)生較高濃度的氧空位，然而，隨著退火溫度的提高，氧空位的濃度就