二氧化钛·钴磁性膜及其制造方法

摘要

提供作为催化剂能力高的光催化剂、同时具有电·光·磁功能的半导体材料及透明磁铁有用的二氧化钛·钴磁性膜,该膜以化学式:Ti1－xCoxO2表示,式中02和Co构成的靶上,使TiO2和Co蒸发,在加热到规定的衬底温度的单晶衬底上成膜。

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化钛·钴磁性膜及其制造方法，进一步地，涉及利用该磁性膜的在光催化剂、具有电·光·磁功能的半导体材料、透明磁铁等方面有用的材料及其制造方法。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)，由于它的光催化剂功能，所以是在水的光分解和分解除去有害物质方面正在实用化的材料，从能源问题和环境问题的观点出发，希望今后的二氧化钛的光催化剂活性更加提高。

此外，作为半导体材料，Si、GaAs是主流，这些现有的半导体材料是能够实现载波控制的电功能或激光二极管、光电二极管的光·电功能的材料，但也能够实现磁存储器的磁功能的半导体材料还不存在。二氧化钛是其带隙能量处于紫外区域的具有光·电功能的半导体晶体，但如果能够具有该光·电功能而且还具有磁功能，就可以得到能同时实现光·电·磁功能的半导体材料。

历来，被称为磁铁的物质，是不透过可见光的乌黑的物质。如果能够实现透明磁铁，则不用说在纸夹等用途上是便利的，显然这面向广泛的产业领域是有用的。

在对透明绝缘物附加磁性的现有技术中，有图14所示的例子。它是在Al₂O₃等在可见光中透明的非磁性绝缘物粉末中混入由Co等组成的磁性金属粒子，再烧结得到的。这样的透明磁铁，当增加磁性金属粒子的量时，引起混入磁性金属粒子所致的非磁性绝缘物的非晶形化，结晶性丧失，作为母体透明绝缘物的本来性质的透明性和绝缘性丧失。

作为磁性半导体，有在GaAs中混入Mn的半导体和CdMnTe系的半导体，有具有磁功能以及法拉第旋转等光功能的半导体。但是，这些现有的磁性半导体对于可见光不透明。

如上所述，以往还不存在对可见光透明、并且具有磁功能的半导体材料。

本发明的目的在于：鉴于以上课题，提供不失去二氧化钛结晶性并附加磁功能的、可用作光催化剂、同时具有光·电·磁功能的半导体材料及透明磁铁的二氧化钛·钴磁性膜及其制造方法。

发明内容

为达到上述目的，本发明的二氧化钛·钴磁性膜的特征在于：它以化学式：Ti_1-xCo_xO₂表示，式中0＜x≤0.3，是Co置换到Ti晶格位置上的、且在单晶衬底上外延生长的二氧化钛·钴磁性膜。

上述磁性膜的晶体结构，优选为锐钛矿结构，或优选为金红石结构。

上述锐钛矿结构的二氧化钛·钴磁性膜的特征在于：带隙能量对应于置换到Ti晶格位置上的Co的浓度(X)，在3.13eV～3.33eV的范围变化。

又，上述二氧化钛·钴磁性膜即使在不低于室温的温度也能保持磁化，并且在可见光中透明。

上述单晶衬底，在晶体结构为锐钛矿结构的场合，优选为LaAlO₃(001)衬底。

上述单晶衬底，在晶体结构为金红石结构的场合，优选为Al₂O₃衬底。

上述单晶衬底，在晶体结构为金红石结构的场合，优选为具有金红石晶体结构的TiO₂衬底。

按照上述构成，由于在不失去作为二氧化钛的半导体晶体的结晶性的情况下具有磁功能，所以可作为光催化剂、同时具有光·电·磁功能的半导体材料和透明磁铁使用。

本发明的二氧化钛·钴磁性膜的制造方法的特征在于：在氧压气氛的真空槽内，对由以规定的混合比混合的TiO₂和Co构成的靶，在规定的照射条件下照射规定的激光，使TiO₂和Co蒸发，在加热到规定的衬底温度的单晶衬底上成膜。

优选的是，可设定上述氧压为10^-5～10^-6Torr，衬底温度为500～700℃，激光为KrF受激准分子激光(248nm)，照射条件是激光的脉冲功率为1～2焦耳/cm²，而且激光脉冲的照射速度为1～10Hz。

另外，也可以对由以规定的混合比混合的TiO₂和Co构成的靶和仅由TiO₂构成的靶，以对应于规定的Co浓度的脉冲数比交替照射规定的激光脉冲，使规定的Co浓度的二氧化钛·钴磁性膜形成。

按照上述构成，就能得到具有所要求的Co浓度的、本发明的二氧化钛·钴磁性膜。

如果使用本发明的二氧化钛·钴磁性膜作为光催化剂，则催化剂活性高。

如果使用本发明的二氧化钛·钴磁性膜作为半导体材料，则能够制作同时具有载波控制的电功能、收发光功能和磁控制的磁功能的半导体器件。

如果使用本发明的二氧化钛·钴磁性膜作为透明磁铁，则例如作为纸夹是有用的。

附图的简单说明

本发明基于以下的详细说明和表示本发明的几个实施方式的附图，能够更好地被理解。再者，附图所示的实施方式并不想要对本发明作特定或限定，而仅仅是为了说明本发明和容易理解而记载的。

图中，

图1是本发明的二氧化钛·钴磁性膜的制造装置的概略图。

图2是模式地表示二氧化钛的锐钛矿晶体结构和金红石晶体结构的图。

图3是表示按照本发明的制造方法制作的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的X射线衍射测定结果的图。

图4是表示按照本发明的制造方法制作的金红石晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的X射线衍射测定结果的图。

图5是表示由断面方向看到的按照本发明制作的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的TEM(透射电子衍射)测定结果的图。

图6是表示对按照本发明使Co浓度作各种变化从而制作的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的c轴方向的晶格常数进行测定的结果的曲线图。

图7是表示本发明的Co浓度8％的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的透射率测定结果的曲线图。

图8是用扫描型SQUID显微镜拍摄的、显示锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的磁畴结构的图。

图9是用扫描型SQUID显微镜拍摄的、显示金红石晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的磁畴结构的图。

图10是用扫描型SQUID显微镜拍摄的、显示各种Co浓度的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的磁畴结构的图。

图11是表示本发明的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的磁化磁滞特性的图。

图12是表示本发明的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的磁化特性的温度依存性的图。

图13是表示本发明的Co浓度不同的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的光吸收特性的图。

图14是说明对透明绝缘物附加磁性的现有技术的图。

实施发明的最佳方式

以下，基于图1～图13，说明本发明的二氧化钛·钴磁性膜的最佳

实施方式。

图1是本发明的二氧化钛·钴磁性膜的制造装置的概略图。

图1中，该制造装置10作为激光烧蚀堆积装置而构成，在真空室17内，装有衬底11和与衬底对向配设的靶12，在真空室17的外方，配设通过窗口对靶12照射脉冲激光的激光装置13和加热衬底11的加热装置14。此外，在衬底11的与靶12对向的表面上，膜片15以部分覆盖的方式可移动地支持着该衬底11。再者，16是导入氧的喷管。

上述衬底11，在使锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜外延生长时，由晶格不匹配比较小的透明衬底LaAlO₃(001)构成，以其表面成为(001)面的方式成形。另外，上述衬底11，在使金红石晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜外延生长时，可以是Al₂O₃或具有金红石晶体结构的TiO₂单晶衬底。

上述靶12，例如是在金红石晶体结构的TiO₂中掺杂10mol％的Co，再将其在1000℃烧结所得到的。

再者，也可以使用上述组成的靶和仅由金红石晶体结构的TiO₂构成的靶这两个靶，对这些靶交替照射规定数比率的激光脉冲来制作靶12。此时，各个靶保持在可支持多个靶的多靶支架18上，通过多靶支架18的回转轴19，能够选择性地将各靶载带到上述激光装置13的激光照射位置。

上述激光装置13所用的激光，例如是发射248nm激光的KrF受激准分子激光，将该激光的脉冲光能量密度调整为1～2J/cm²中的任一个值，以1～10个/秒、即速度1～10Hz照射该激光脉冲。

上述加热装置14，是使用Nd：YAG激光的衬底加热装置，即使是氧化性气氛也可将衬底11加热到高温。再者，衬底加热装置也可以是通常的灯光加热器。

在上述真空室内保持至约1×10^-9Torr的真空后，通过气体导入阀16导入氧，使氧分压成为约10^-5～10^-6Torr。

接着，说明本发明的二氧化钛·钴磁性膜的晶体结构。图2是模式地表示二氧化钛(TiO₂)的晶体结构的图，图2(a)图示了锐钛矿晶体结构和金红石晶体结构中的Ti配位位置(黑点)，图2(b)模式地示出由锐钛矿晶体结构及金红石晶体结构中的Ti和O构成的8面体配位体的配置。此外，图2(c)是锐钛矿晶体结构和金红石晶体结构中的Ti和O的键架构模型。

图3是表示按照本发明的制造方法制作的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的X射线衍射测定结果。图3(a)示出XRD(X射线衍射仪)的衍射图形。图3(b)示出成膜时的RHEED(反射电子衍射)结果。

测定中所用的二氧化钛·钴磁性膜，是在LaAlO₃(001)衬底上，通过对在金红石晶体结构的TiO₂中掺杂10mol％的Co的靶和仅由金红石晶体结构的TiO₂构成的靶，交替照射规定数比率的上述激光脉冲而成膜的Co浓度5.8％的二氧化钛·钴磁性膜。再者，Co浓度采用EPMA(电子探针微量分析器)确定。衬底温度、氧分压分别为650℃、10^-6Torr。

由图3(a)的衍射图形判断，按照本发明的制造方法制作的二氧化钛·钴磁性膜具有锐钛矿晶体结构，在衬底上呈c轴取向。另外，由图3(b)的RHEED的结果判断，每个单分子层都外延生长。

图4是按照本发明的制造方法制作的金红石晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的X射线衍射测定结果。

该测定中用的金红石结构的二氧化钛·钴磁性膜，除了将Al₂O₃衬底、或金红石结构的TiO₂衬底用于外延单晶衬底外，与上述的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的制作条件相同。

由图4的衍射图形判断，按照本发明的方法制作的二氧化钛·钴磁性膜具有金红石晶体结构，在衬底上呈(101)轴取向。另外，虽未图示，但由RHEED的测定结果确认，每个单分子层外延生长。

图5是表示上述锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的断面方向的TEM(透射电子衍射)测定结果的衍射图象。如图5表明的那样，由于可看到基于Ti和Co的晶格排列的有序排列的衍射点，因此判断在本发明的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜中，Co置换到Ti的晶格点位置上。此外，虽省略了图示，但确认：在金红石晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜中，也同样地是Co置换到Ti的晶格点位置上。

图6是表示对使Co浓度作各种变化而制作的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的c轴方向的晶格常数进行测定的结果的图。如图6表明的那样，判断出晶格常数大致与Co浓度成比例地变大。由其结果还判断，Co置换到Ti的晶格点位置上。

如图5、图6表明的那样，判断出本发明的二氧化钛·钴磁性膜，即使含有具有磁性特性的Co原子，也维持着作为半导体的晶体结构。

图7是表示Co浓度8％的上述锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的透射率测定结果的曲线图。由该图判断出，本发明的二氧化钛·钴磁性膜在可见光中透明。另外，虽省略了图示，但也可确认，金红石晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜对可见光也是透明的。

图8是用扫描型SQUID显微镜拍摄的、显示锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的磁畴结构测定结果的象图。

在图8中，横轴的浓度标度表示以微特斯拉表示的磁化强度，+、-表示磁化方向。此项测定是用扫描型SQUID显微镜测定的，测定温度分别是3K、30K及60K，测定面积为200μm×200μm。

图9是用扫描型SQUID显微镜拍摄的、显示金红石晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的磁畴结构测定结果的象图。

纵轴的浓度标度表示以微特斯拉表示的磁化强度，测定温度是3K，测定面积为200μm×200μm。

该测定中所用的金红石晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜，是在图中由左向右连续变化Co浓度而制作的。左端的Co浓度为14.6％，右端的Co浓度为15.4％。

图10是使用与图8同样的手段测定各种Co浓度的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的磁畴结构的图。横轴的浓度标度表示以微特斯拉表示的磁化强度，+、-表示磁化方向。由图10表明的那样，判断出随着Co浓度变大，磁化变大。

图11是表示上述锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的磁化特性的曲线图，图11(a)是显示磁滞特性的图，纵轴以μ_B单位表示平均一个Co原子的磁矩，横轴表示平行施加到磁性膜表面的磁场强度，测定温度为300K。此外，图11(b)表示剩余磁矩、即剩余磁化因温度造成的退磁特性。

图12是表示上述锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的磁化特性的温度依存性的曲线图。施加的磁场强度为200高斯(Gauss)，测定温度范围为0～400K。

如图7～图12表明的那样，本发明的二氧化钛·钴磁性膜具有磁畴结构，随着Co浓度增大其磁化变大。此外，在0～400K的温度范围，能够产生剩余磁化。即能够磁铁化，而且即使在400K的高温中其磁化也不消失。

图13是表示本发明的Co浓度不同的锐钛矿晶体结构的二氧化钛·钴磁性膜的光吸收特性的曲线图。各个吸收曲线显示为良好的半导体晶体，由吸收端求出的带隙能量为3.13～3.33eV。

如图14表明的那样，判断出本发明的二氧化钛·钴磁性膜是带隙能量根据Co浓度的不同而变化的良好的半导体晶体。

由以上的说明可以理解，本发明的二氧化钛·钴磁性膜是Co原子置换到Ti的晶格位置上的半导体晶体，具有磁畴结构，能够形成剩余磁化，该剩余磁化即使在400K时也不消失。而且在可见光中透明，并能根据掺杂的Co浓度的不同而改变带隙能量。另外，按照本发明的二氧化钛·钴磁性膜的制造方法，能够制作本发明的二氧化钛·钴磁性膜。

TiO₂的光催化剂反应，是吸收具有不低于TiO₂的带隙能量的光子而产生的空穴和自由电子所致的氧化还原反应，但这些空穴和自由电子在生成的同时，再结合的比例也相当高，光催化剂效率不太高。如果使用本发明的二氧化钛·钴磁性膜作为光催化剂，则通过Co所致的磁化，能够使空穴和自由电子的再结合比例减少。因而光催化剂效率变高。

历来，电子计算机等中使用的数据是记录保存在磁性薄膜圆盘等上。但是，这种以往方法，必须在CPU外部设置这样的记录装置，另外，由于必需机械驱动部分，所以欠缺紧凑性和可靠性。如果使用本发明的二氧化钛·钴磁性膜作为半导体材料，就能够将CPU和数据记录部集成在同一衬底上。因而可以使这种装置的紧凑性和可靠性提高。进一步地期待着作为充分利用其透明性的透明显示器和电子纸等电路驱动部的透明元件材料而加以利用。

产业上的利用可能性

如以上说明的那样，使用本发明的二氧化钛·钴磁性膜，能够提供催化剂能力高的光催化剂、同时具有电·光·磁功能的半导体材料、以及透明磁铁。

进一步地，按照本发明的二氧化钛·钴磁性膜的制造方法，能够可靠地制造上述二氧化钛·钴磁性膜。