过渡金属和非金属共掺杂二氧化钛稀磁研究

摘要

过渡金属（比如Mo，Ag，Mn和Ru等）元素替代非磁性半导体中的一些原子形成了稀磁半导体(DMSs)，其兼具半导体的磁性材料的磁学性质与电学性质，而且在大规模集成电路，高频率器件和光电子器件等方面得到了广泛的运用，因而引起研究者的广泛关注。关于稀磁半导体的室温铁磁性现象研究者开展了越来越多的理论与实验研究。但是，研究者依旧没有清楚的理解在稀磁半导体中的的室温铁磁性的来源机理，一些研究者认为是不同掺杂的过渡金属离子所产生了室温铁磁性，一些研究者则认为是因为各种不同缺陷的形成所产生的。为了更确切的理解稀磁半导体中室温铁磁性的起源，本论文重点利用实验与第一性原理计算相结合的方法来研究过渡金属和非金属共掺杂二氧化钛(TiO2)的室温铁磁性的来源机理。主要研究工作包括:
　　1.Au掺杂和未掺杂TiO2纳米颗粒薄膜是利用溶胶-凝胶和溅射的试验方法所制备的，X射线衍射(XRD)测试显示所制备的TiO2样品全部表现为锐钛矿相结构，并没有发现Au团簇或者第二相的产生;通过紫外可见分光光度计(UV-vis)的测试，在样品中Au主要是是以Au团簇的形式存在的并非Au金属。X射线光电子能谱(XPS)的测试认为，Au团簇掺杂的TiO2(在空气气氛下退火)样品中Au以Au0存在于样品中，通常情况下氧空位(Vo)诱导Ti3+的形成，但Au团簇掺杂的TiO2(在空气或N2氛围下退火)样品中均只有Ti4+存在且并未发现Ti3+，所以为了证明Vo的存在我们又做了荧光光度计(PL)测试。PL测试表明TiO2样品均有Vo存在。通过振动样品磁强计(VSM)测试展示TiO2样品都表现了室温铁磁性(RTFM)行为，所有样品的饱和磁化强度(Ms)的顺序如下:Au掺杂TiO2纳米颗粒薄膜（在N2气氛下退火）＞未掺杂的TiO2纳米颗粒薄膜（在空气气氛下退火）＞ Au掺杂TiO2纳米颗粒薄膜（在空气气氛下退火）;第一性原理计算得出Au团簇掺杂TiO2薄膜的形成能低于Vo和Au团簇共掺杂的TiO2薄膜。在Au团簇掺杂的TiO2薄膜中，表面Vo因为Au团簇掺杂从而抑制了它的形成，电子从Ti3d转移到Au5d。在Au掺杂TiO2薄膜（在N2氛围下退火）中，大量的Vos和Au团簇导致了Ti3d和O2p自旋分裂，因此导致了相对比较高的饱和磁化强度(Ms)，结果是Vo在其磁性来源中起着十分重要的作用。
　　2.利用溶胶-凝胶的实验方法制备了Fe掺杂和Fe-C共掺杂TiO2纳米颗粒薄膜，XRD测试展示，所有制备的TiO2样品均只有锐钛矿相结构;利用UV-vis的测试显示Fe-C共掺杂TiO2纳米颗粒薄膜吸收带边发生红移，可能是Fe或C元素的掺杂导致了带隙的缩减;通过PL测试发现所有样品均存在Vo; VSM测试表明所有样品都有磁滞回区，呈现出了室温铁磁性(RTFM)，Ms的顺序如下:Fe-C共掺杂TiO2＞Fe-C共掺杂TiO2(在O2氛围下退火)＞C掺杂TiO2＞C掺杂TiO2(在O2氛围下退火);利用第一性原理计算得出在Vo存在的情况下，Fe-C共掺杂TiO2薄膜净磁矩＜Fe-C共掺杂TiO2薄膜净磁矩，由此，第一性原理计算的结果和实验结果基本保持一致。
　　3.通过两步阳极氧化法制备Mo掺杂和Mo-N共掺杂TiO2纳米管薄膜，XRD测试暗示，Mo或N原子成功掺入到TiO2锐钛矿结构中;通过PL测试发现样品均存在Vo;VSM测试显示，所有制备的样品都具有室温铁磁性，同时Ms的顺序如下:Mo-N共掺杂TiO2纳米管＞Mo掺杂TiO2纳米管＞N掺杂TiO2纳米管＞不掺杂TiO2纳米管;所以，Ms的最大是Mo-N共掺杂TiO2纳米管薄膜的，Ms的提高可能是因为所掺杂的Vo，Mo和N的共同作用的结果引起的。XPS测试表明，所有样品中均出现Ti3+，暗示了样品中形成了Vos。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 稀磁半导体概述

1．1．1 稀磁半导体的研究进展

1．1．2 稀磁半导体概念

1．1．3 稀磁半导体中铁磁性的来源

1．1．4 稀磁半导体的物理特性

1．2 TiO2的结构与基本性质

1．3 TiO2基稀磁半导体的研究现状

1．4 本课题的研究意义和研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 样品的制备方法与表征手段

2．1 样品的制备方法

2．1．1 脉冲激光沉积(PLD)

2．1．2 阳极氧化法(oxidation method)

2．1．3 磁控溅射(magnetron sputtering)

2．1．4 分子束外延(MBE)

2．1．5 离子注入(ion implantation)

2．1．6 固相反应(solid reaction)

2．1．9 放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering)

2．2 样品的表征

2．2．1 X射线衍射(XRD)

2．2．2 X射线光电子能谱(XPS)

2．2．3 光致发光光谱(PL)

2．2．4 紫外可见分光光度计(UV-vis)

2．2．5 场发射扫描电镜(SEM)

2．2．6 振动样品磁强计(VSM)

第三章 Au掺杂TiO2薄膜稀磁特性的研究

3．1 引言

3．2 样品制备

3．3 实验结果分析

3．3．1 X射线衍射(XRD)

3．3．2 紫外可见分光光度计(UV-vis)

3．3．3 X射线光电子能谱(XPS)

3．3．4 X光致发光光谱(PL)

3．3．5 X射振动样品磁强计(VSM)

3．4 计算结果分析

3．5 本章小结

第四章 Fe／C掺杂TiO2薄膜稀磁特性的研究

4．1 引言

4．2 实验过程

4．3 实验结果分析

4．3．1 X射线衍射(XRD)

4．3．2 X射线光电子能谱(XPS)

4．3．3 紫外可见分光光度计(UV-vis)

4．3．4 光致发光光谱(PL)

4．3．5 振动样品磁强计(VSM)

4．4 计算结果分析

4．4．1 态密度图

4．5 本章小结

第五章 Mo／N掺杂TiO2薄膜稀磁特性的研究

5．1 引言

5．2 实验过程

5．3 实验结果分析

5．3．1 X射线衍射(XRD)

5．3．2 场发射扫描电镜(SEM)

5．3．3 X射线光电子能谱(XPS)

5．3．4 光致发光光谱(PL)

5．3．5 振动样品磁强计(VSM)

5．4 本章小结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要工作

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