氧化钽薄膜的制备及表征

摘要

随着科技的进步，纳米材料逐步进入人们的视野，为了提高产品的性能，人们对影响性能的因素－材料的结构，进行了深入研究。氧化钽，作为宽带隙金属氧化物，具有良好的光电性能，成为本文的首选。经过调研发现，人们对氧化钽的研究大多集中在电学方面，对磁性的研究很少。而对于Ta2O5薄膜在室温下显现铁磁性的原因也是众说纷纭。为了对这一问题做出合理解释，本文采用了磁控溅射的手法制备出氧化钽，并采用XRD、FE–SEM、EDS、MPMS和PPMS等设备对其形貌和磁性机理等进行了研究。具体结果如下： (1)采用二次阳极氧化的方法制备出了有序多孔的氧化铝(AAO)，然后以氧化铝为基底，采用磁控溅射的方法制备出有序多孔Ta2O5薄膜。由于不同的条件下，制备出的样品不同，所以本文研究了不同氧气流量、不同基温、不同溅射时间对样品的影响。结果显示，基底温度对样品的制备没有很大的影响。通过SEM对样品的形貌表征，发现随着溅射时间的增加，Ta2O5薄膜的孔径减小，厚度增加。并得到了制备纯的有序多孔Ta2O5薄膜的最佳条件。 (2)研究了样品的磁性与制备条件之间的关系。通过MPMS和PPMS表征，发现在室温下Ta2O5薄膜具有铁磁性。随着氧气流量的增多，样品的磁性先增大后减小。施加垂直于膜表面磁场的样品的磁性要远远大于施加平行于膜表面磁场的样品的磁性，这一结果说明Ta2O5薄膜具有磁各向异性。与此同时，随着溅射时间的增加，样品的饱和磁化强度逐渐减小。 (3)研究了样品的磁性与退火环境之间的关系。为了研究氧空位对样品的磁性是否产生影响。对样品进行了退火处理及PL谱的测试。分别测试了不同的退火环境，不同的退火时间对样品的影响。在空气、真空中进行退火，并与未处理的样品进行比较，结果表明经真空退火后样品的磁性增加，经空气退火后样品的磁性减弱。这一结果与PL谱相符合，说明Ta2O5薄膜的磁性与氧空位有关。为了再次证实这一结论，将样品在空气退火不同的时间。结果显示，随着退火时间的增加，样品的磁性逐渐减弱，与前者相符。并对样品的磁性与温度关系进行了测试和拟合，得出Ta2O5薄膜的铁磁性是符合自旋波理论的，其磁性的起源是与铁、钴、镍类似的。文章最后，对Ta2O5薄膜的铁磁性机理进行了解释。其磁特性不仅与材料特殊的多孔结构有关，还与捕获一个电子的氧空位密切相关。利用这一特性可在实验过程中，通过控制氧空位的多少实现对Ta2O5薄膜磁性的定量调控，制备符合条件的样品。

目录

声明

1 绪 论

1.1 引言

1.2 Ta2O5的晶体结构

1.3 Ta2O5的应用

1.4 稀磁半导体氧化物的发展瓶颈

1.5 氧空位缺陷对金属氧化物的影响

1.6 选题背景及主要的研究内容

2 实验方法与仪器

2.1 阳极氧化法

2.2 磁控溅射法

2.3 测试仪器

3 多孔Ta2O5的制备及形貌表征

3.1 引言

3.2 多孔Ta2O5薄膜的制备

3.3 多孔Ta2O5薄膜的表征

3.4 小结

4 多孔Ta2O5的磁性表征与机理解释

4.1 引言

4.2 多孔Ta2O5薄膜的磁性表征

4.3 机理解释

4.4 小结

5 总结与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果清单