V及V/N共掺杂TiO2薄膜结构和性质的研究

摘要

二氧化钛(TiO2)是一种宽带隙半导体氧化物，由于其化学性质稳定、无毒、廉价等特点，在电子产业，光催化等领域得到广泛应用。为了扩大其应用范围，人们通过过渡金属掺杂TiO2使其具有室温铁磁性，得到TiO2基稀磁半导体，使材料同时具有磁性和半导体性质。同时，过渡金属掺杂TiO2还可以减小其光学带隙，提高其对太阳能的利用率，并且提升其光电转换效率，这为制备TiO2多功能器件提供了基础。因此，本论文以V和N为掺杂剂，利用脉冲激光沉积技术制备了一系列掺杂TiO2薄膜。研究了V掺杂、N掺杂和V/N共掺杂对TiO2薄膜的结构、磁性、输运性质及光学性质的影响。主要研究内容如下： （1）利用脉冲激光沉积技术在高真空环境下制备了一系列不同厚度的Ti1-xVxO2(x=0,0.03,0.05)薄膜。对薄膜的结构、磁性及输运性质进行了研究。结红石相的转变，高的氧气分压有利于制备出单晶锐钛矿TiO2薄膜。在高真空环境下制备的V掺杂TiO2薄膜中V以V3+离果表明，薄膜的生长衬底、厚度以及氧气分压对薄膜的结晶质量均有影响。掺杂剂V的引入使TiO2薄膜发生锐钛矿向金子的形式存在，薄膜均具有明显的室温铁磁性，且铁磁性是本征的，随着薄膜厚度的增加，薄膜的铁磁性减小。薄膜均表现出金属导电性，随着薄膜厚度的减小，其载流子浓度增大。 （2）利用脉冲激光沉积技术在SrTiO3(100)单晶基片上制备了一系列V掺杂、N掺杂以及V/N共掺杂TiO2薄膜，对薄膜结构、磁性及光学性质进行了研究。结果表明，薄膜为锐钛矿相结构，V/N共掺杂提高了N在TiO2中的固溶度。V和V/N共掺杂TiO2薄膜均具有室温铁磁性，且铁磁性是本征的，与V掺杂TiO2薄膜相比，V/N共掺杂TiO2薄膜的铁磁性明显增强。光学性质测量结果表明，V/N共掺杂可明显降低TiO2薄膜的带隙，增加其对可见光的吸收，提高了其在可见光下的光电转换效率。

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