TiO2基稀磁半导体的制备与物性研究

RafaelIdorb

    稀磁半导体能够同时利用载流子的自旋和电荷构造出磁电一体化的半导体器件，它将是载流子的电荷和自旋的桥梁，是自旋电子学研究的重要前沿课题之一，也是实现新型半导体器件的理想材料。由于TiO2本身具有很好的物理与化学特性，如高的折射率、在可见光和红外范围极好的透光性以及高的介电常数、光催化等独特的性质，以TiO2为基的透明稀磁半导体有很好的应用前景。    本文采用溶胶-凝胶法与静电自组装法制备出3d过渡族金属（Co, Fe）掺杂TiO2基稀磁半导体的纳米粉末和纳米薄膜样品，探索了获得居里点在室温以上的透明稀磁半导体的制备方法和工艺条件；并利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜（SEM）、X射线能量散射谱（XEDS）、振动样品磁强计(VSM)、分光光度计等详细研究Co(Fe):TiO2粉末样品和薄膜样品的微观结构、化学状态、磁学以及光学性质。    实验结果表明：利用溶胶-凝胶法和静电自组装技术相结合，可制备出室温具有铁磁性的掺杂(Co,Fe)的TiO2薄膜，其饱和磁化强度约为10-4emu的数量级，剩磁在10-5emu的数量级，矫顽力在400-500Gs附近，并且随着掺杂浓度的增加饱和磁化强度和剩余磁化强度都有所增加，矫顽力却有所下降，而对于随着热处理温度变化的情况却正好相反。    本文还利用TiO2陶瓷靶及射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备出了TiO2透明薄膜，详细讨论了薄膜的晶体结构、表面形貌、光学性质随衬底温度和溅射功率的变化情况。实验结果表明：（1）随着衬底温度和溅射功率的增加，TiO2薄膜的锐钛矿相结晶状态有所加强，接着出现金红石结构，并且薄膜的表面粗糙度也有所增加，但是薄膜均匀致密，生长良好。（2）随着衬底温度和溅射功率的加大，吸收边出现红移，表明了能带变窄。