多孔TiO2薄膜的制备、表征及室温铁磁性研究

摘要

众所周知，稀磁半导体微弱的铁磁性在应用中已经形成了瓶颈，为此，增强这些材料的铁磁性已迫在眉睫。与此同时，在未掺杂、有缺陷的氧化物中也观测到了铁磁性信号，由于其在自旋电子学器件中潜在的应用前景而备受青睐。然而对于应用器件，要求其居里温度（TC）要高于室温是一个先决条件。其中，因TiO2具备在可见光和近红外范围内的光传输特性，高的n型载流子浓度和较高的居里温度，成为国内外众多相关领域研究小组的研究对象。然而，如何提高并调控该类材料的磁化强度，仍然面临着巨大挑战。为此，我们使用直流反应磁控溅射，在自制的多孔氧化铝模板上成功制备出了多孔TiO2薄膜，并采用扫描探针显微镜(SPM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、紫外分光光度计(UV-VIS)和物理性能测试系统(PPMS)等表征仪器对多孔TiO2薄膜的结构和物性进行了一系列表征。发现多孔TiO2薄膜具有明显的室温铁磁性，而且其磁性能够简单调控，满足自旋电子器件的实际需要。其结果显示如下:
　　(1)通过SPM、SEM、XRD和EDS分别对样品形貌、晶型结构和元素组分进行了表征。从SPM和SEM的扫描图片，发现样品具有明显的有序多孔结构;分析XRD数据发现，所有的衍射峰都对应于TiO2的锐钛矿型物相，并没有其它的杂相被检测到;与此对应的EDS测试表明样品中只含有Al,O和Ti三种元素，并没有任何磁性杂质元素存在于多孔TiO2薄膜中。
　　(2)使用PPMS-VSM，在室温条件下对样品的磁性进行了系统表征。实验结果表明，当外加场垂直于膜面方向上时，样品中存在着显著的室温铁磁性，且最大饱和磁化强度高达126emu/cm3，并认为在垂直膜面方向上有如此大的饱和磁化强度与样品的多孔结构和氧空位密切相关，同时样品还表现出明显的磁各向异性。如果样品在富氧的空气氛围内退火处理，其磁性迅速降低。通过与XRD和EDS数据结合分析，表明在多孔TiO2薄膜中表现出的显著室温铁磁性是其本征属性。
　　(3)为了进一步明确在多孔TiO2薄膜中存在的氧空位是样品铁磁性起因，我们使用日本日立公司生产的U-3010紫外可见分光光度计，并且使用氙灯作为激发光源对样品进行了光致发光测试。测试结果表明，存在氧空位的样品，在520-540nm的波长范围内具有明显的冷光发射峰，并且在空气氛围内的条件下退火处理后，其峰位大幅度减弱，与其对应样品的磁性变化相一致。对于TiO2在520-540nm波长范围内的峰位，起源于样品中大量捕获单电离电子的氧空位(F+)。经退火处理后，大量的F+被富氧空气中的氧原子替代，导致F+减少，由其激发的PL谱峰和产生的磁性也随之减弱。
　　(4)此外，使用其它方法制备的TiO2薄膜和粉末，经测试发现，在测试仪器精度范围内，这些样品中并没有表现出明显的室温铁磁性。进一步表明在多孔TiO2薄膜中表现出的显著室温铁磁性，与其特殊的多孔结构和捕获单电离电子的氧空位息息相关。
　　(5)最后给出样品铁磁性起源的交换机制。样品测试数据所表现出来的各种现象表明捕获单电离电子的氧空位直接交换耦合(F+-F+）作用及具有磁矩的氧空位通过电子为媒介间接交换耦合(F+-condition electrons-F+)作用是完全符合多孔TiO2薄膜磁性起源机制的。进一步说明多孔TiO2薄膜具有室温铁磁性和磁各向异性是必然的，也是客观存在的，这将为自旋电子学器件和传导纳米器件的发展起到重要的作用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 稀磁半导体发展的瓶颈

1．3 金属氧化物的磁性

1．4 金属氧化物的缺陷

1．5 多孔金属氧化物薄膜材料

1．6 选题背景及主要研究内容

2 实验方法及仪器

2．1 阳极氧化方法

2．1．1 实验仪器及材料

2．1．2 制备过程

2．2 磁控溅射沉积法

2．2．1 磁控溅射设备的原理

2．2．2 磁控溅射设备的特点

2．3 PAA基底的预备及表征

2．3．1 PAA基底的预备

2．3．2 预备基底的表征及讨论

2．4 测试仪器

2．4．1 扫描探针显微镜

2．4．2 扫描电子显微镜

2．4．3 X射线衍射仪

2．4．4 紫外可见分光光度计

2．4．5 物理性能测试系统

3 多孔TiO2薄膜制备、表征及磁性研究

3．1 利用磁控溅射设备在PAA上沉积制备多孔TiO2薄膜

3．1．1 样品的制备条件

3．1．2 制备样品的表征

3．2 不同溅射时间下，多孔TiO2薄膜磁性的研究

3．2．1 样品的制备条件

3．2．2 不同溅射时间下，多孔TiO2薄膜磁性的表征

3．3 不同氧流量条件下，多孔TiO2薄膜磁性的研究

3．3．1 样品的制备条件

3．3．2 不同氧流量条件下，多孔TiO2薄膜磁性的表征

3．4 不同空气退火温度下，多孔TiO2薄膜磁性的研究

3．4．1 样品的制备条件

3．4．2 不同空气退火温度下，多孔TiO2薄膜磁性的表征

3．5 不同空气退火时间下，多孔TiO2薄膜磁性的研究

3．5．1 样品的制备条件

3．5．2 不同空气退火时间下，多孔TiO2薄膜磁性的表征

3．6 本章小结

4 使用其它方法制备TiO2薄膜和粉末及其磁性研究

4．1 使用阳极氧化法制备多孔TiO2薄膜

4．1．1 实验部分

4．1．2 阳极氧化法制备多孔TiO2薄膜的表征

4．2 使用溶胶—凝胶法制备TiO2薄膜

4．2．1 实验部分

4．2．2 溶胶—胶法制备的TiO2薄膜的表征

4．3 TiCl4水解法制备TiO2粉末

4．3．1 实验部分

4．3．2 TiCl4水解法制备TiO2粉末的表征

4．4 本章小结

5 多子孔TiO2薄膜室温铁磁性存在的原因

5．1 引言

5．2 多孔TiO2薄膜室温铁磁性的起因——氧空位

5．2．1 氧空位获得磁矩的分析

5．2．2 氧空位存在的证据

5．3 具有磁矩的氧空位的交换相互作用

5．4 满足交换相互作用的依据——磁各向异性

5．5 本章小结

6 总结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 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