納米TiO-,2-基稀磁半導(dǎo)體的制備及磁性研究.pdf

1、近幾年來(lái)，具有居里溫度Tc高于室溫的寬禁帶隙氧化物和氮化物稀磁半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，激起了研究者們的極大興趣，也成為了半導(dǎo)體自旋電子學(xué)、材料物理和凝聚態(tài)物理等諸多領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。該類新型磁性材料在磁光和自旋電子器件中具有巨大的潛在應(yīng)用前景。因而，在未來(lái)的幾年，這些材料仍將是吸引各研究小組們研究的重點(diǎn)課題。本論文所做的有關(guān)過(guò)度金屬離子摻雜TiO2的研究工作，正是在這種環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生的。
　　 本文用sol-gel法制備了過(guò)渡金屬離子摻

2、雜TiO2的納米顆粒。借助相關(guān)分析儀器，對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)和磁性行為進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)樣品磁性的起因進(jìn)行了初步的探討。主要研究工作包括：
　　 1. 在大量工藝探索的基礎(chǔ)上，用sol-gel法分別成功地制備了均勻性好的V摻TiO2和Ni摻雜TiO2的納米顆粒。借助于XRD衍射分析儀、掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）分析了在不同摻雜濃度和不同燒結(jié)溫度下，Ti1-xVxO2體系（x=0～0.16）和Ti1-xNix

3、O2體系（x=0.01～0.08）的結(jié)構(gòu)特性的變化和顆粒尺寸的大小。對(duì)于Ti1-xVxO2體系，摻入量x≦0.1時(shí)，樣品是純的TiO2相結(jié)構(gòu)；x=0.16時(shí)，發(fā)現(xiàn)了第二相V2O5的存在。顆粒尺寸在20～50nm左右。對(duì)于Ti1-xNixO2體系，在摻雜濃度范圍內(nèi)均沒有發(fā)現(xiàn)有第二相的存在。顆粒尺寸在20nm左右。
　　 2. 借助于物性測(cè)試系統(tǒng)（PPMS）研究了Ti1-xVxO2體系（x=0～0.16）樣品隨摻雜濃度的增加磁化強(qiáng)度

4、M與所加磁場(chǎng)H的關(guān)系；研究了Ti0.96V0.04O2在不同燒結(jié)溫度下的M-H關(guān)系以及磁化強(qiáng)度M和溫度T之間的關(guān)系；發(fā)現(xiàn)隨著摻雜濃度的增加，樣品的飽和磁化強(qiáng)度也相應(yīng)的增大；樣品內(nèi)部存在鐵磁和反鐵磁作用的競(jìng)爭(zhēng)；比較研究了不同燒結(jié)氣氛下處理的Ti0.92V0.08O2樣品的磁化行為。在氬氣氛下高溫?zé)Y(jié)更有利于樣品鐵磁有序的形成。
　　 3. 借助于物性測(cè)試系統(tǒng)（PPMS）研究了Ti1-xNixO2體系（x=0.01～0.08）樣品隨

5、摻雜濃度的增加磁化強(qiáng)度M與所加磁場(chǎng)H的關(guān)系；研究了Ti0.99Ni0.01O2在不同燒結(jié)溫度下的M-H關(guān)系以及磁化強(qiáng)度M和溫度T之間的關(guān)系；比較研究了不同燒結(jié)氣氛下處理的Ti0.99Ni0.01O2樣品的磁化行為。發(fā)現(xiàn)隨著摻雜濃度的增加，樣品的鐵磁有序行為逐漸減弱。在空氣中低溫?zé)Y(jié)更有利于樣品內(nèi)部鐵磁有序的形成。
　　 4. 在結(jié)構(gòu)分析和磁性測(cè)量的基礎(chǔ)上，并結(jié)合樣品的制備工藝，我們對(duì)過(guò)渡金屬離子摻雜的TiO2納米顆粒樣品中的磁行

6、為進(jìn)行了討論。由于X-ray沒有檢測(cè)到第二相的存在，我們認(rèn)為觀察到的磁性是一種本征性質(zhì)的體現(xiàn)，而不是源于第二相的引入而引起的。文獻(xiàn)上對(duì)稀磁半導(dǎo)體中的磁性起因有各種各樣的解釋，目前尚未達(dá)成共識(shí)。本文基于束縛磁極化子理論對(duì)所制備樣品的磁行為進(jìn)行了討論。我們認(rèn)為，摻入到樣品中的磁性離子與周圍的氧空位形成束縛磁極化子，近鄰束縛磁極化子之間會(huì)發(fā)生鐵磁耦合。樣品中的磁有序行為是由于樣品中的束縛磁極化子之間發(fā)生了鐵磁耦合的結(jié)果。而當(dāng)隨著燒結(jié)溫度的變化