物理学报iop

第一章
物理
D IOP出版的学报： 应用物理学
J。 Phys。 D ： Appl. Phys。 41 (2008) 015005 (5pp)
doi ：10.1088/0022-3727/41/1/015005
氧气分压的作用在哥斯达黎加被掺杂的
TiO2铁磁性摄制
肖?张， Weihua Wang， Luyan李， Yahui城， Xiaoguang罗和
电子，
学院信息技术科学， Nankai大学，天津300071，中华人民共和国
电子邮件的惠Liu1部门
：
接受了2007年10月15日，以最后的形式2007日在网上出版
12月12日2007日在
JPhysD/41/015005 11月的9日
抽象

多晶的哥斯达黎加被掺杂的TiO2films由co飞溅哥斯达黎加和TiO2目标和O2混合物

在纯净的Ar制造以各种各样的氧气分压。 铁磁性在所有

样品被观察，并且居里温度很好在390 K.之上。 影片的饱和磁化

显示对氧气成长压力的强的依赖性，当保留恒定的哥斯达黎加

含量时。 铁磁性在影片被提高被放置以因而

是氧气短少的更低的氧气压力，表明氧气空位的一个重要角色在

哥斯达黎加被掺杂的TiO2的铁磁起源。

(有些图在这篇文章上在仅颜色在电子版本)
1. 介绍

从在室温铁磁性的发现上在

Co被掺杂的anatase TiO2 [1]，这在所谓的spintronic设备有

成为的一个战胜的焦点在

材料学领域为转折金属被掺杂的被稀释的

磁性半导体(DMSs)的研究，由于他们

潜在的应用。 设备的这新一代有不挥发性

、更高的数据处理速度、更低的电力的消耗量

和增加的综合化密度的好处

，比较常规

半导体装置[2]。 迄今，许多努力为

查寻在宽被结合的二氧化物半导体被执行了高居里温度

(TC)铁磁性例如TiO2， ZnO和

SnO2，服用Co、Ni、哥斯达黎加、Mn和V [1-11]。 然而，
查寻高居里温度(TC)铁磁性在

宽被结合的二氧化物半导体例如TiO2， ZnO和

SnO2，服用Co、Ni、哥斯达黎加、Mn和V [1-11]。 然而，

变化在过程中在样品成长和岗位

成长期间互相使实验性结果相当

矛盾。当一些研究工作表明时

铁磁性在DMSs起源于次要

阶段金属在它成群[9， 10]，其他小组报道

铁磁性是内在的以缺乏这样

沉淀物[1-8]。 理论上，几个模型

用于解释铁磁性用DMSs的不同的类型。

例如，经常被援引的Ruderman-Kittel-Kasuya-

Yosida (RKKY)类型为Mn解释的模型： GaAs DMS

根据sp-d交换在sp巡回载体

和转折金属掺杂的元素之间[12的]地方

d状态。 Superexchange、双交换和交换通过

一定的磁性polarons (BMPs)也被祈求

解释铁磁命令在室温

[3之上]。 而且， Coey等[13]在氧化物延伸BMPs

入F中心斡旋的BMPs (FC BMPs)模型

解释高TC铁磁性。在转折金属被掺杂的DMSs之中，基于TiO2的

DMSs由于他们的特别多种潜在的应用

在光电探测器、催化剂、太阳能电池、消毒器具在

医院，防护涂层和透明举办的电极

广泛被学习了。 此外， TiO2 anatase结构的

格子是合理地搭配得不错的与Si，

做它一名头等候选人为未来综合化用基于Si的

设备[3]。 到现在，高TC铁磁性在基于TiO2的

DMSs一般认为一种内在现象

[13， 14]。
并且它现在知道被掺杂的过渡金属的

磁矩强烈取决于准备

方法和条件，即使仍然没有确定

协议，关于DMSs磁性的本质

由不同的方法和不同的小组现在准备了。

最近，它被发现结构瑕疵在铁磁性的

起源在nano-和唯一水晶哥斯达黎加扮演一个重要

角色： TiO2 DMS系统[3,4]。 一定数量的

实验工作表示，有铁磁

行为和与氧气相关的点瑕疵之间的一种

接近的交互作用在基于TiO2的DMSs [15， 16]。所以，

除理解铁磁性的微观起源以外

在DMSs，提供具体准备

情况和DMSs之间磁性行为的更加详细的

交互作用也是非常重要的。

在这项研究，多晶的CrxTi1 O2影片以哥斯达黎加

含量x = 0.05由co飞溅哥斯达黎加

和TiO2目标在一个纯净的Ar和O2混合物制造。 各种各样的

氧气分压(PO2)在哥斯达黎加被掺杂的TiO2影片

用于改变氧气空位的集中。

密切关系在铁磁性和氧气压力之间

被找到，表明氧气空位的一个重要角色在

哥斯达黎加被掺杂的TiO2铁磁性。
ment

多晶的Cr0.05Ti0.95O2 ？lms由co飞溅

哥斯达黎加(99.99制造 基体转动在30转每分钟在证言期间

，并且从目标的距离到基体约为

16 cm。TiO2目标的RF飞溅力量

被保留了在300 W。 影片在玻璃和kapton基体

被放置了为结构和磁性的测量

，分别。 基体温度被保留了

在400 ?С在证言期间。？lm厚度

被保留了在~200毫微米并且取决于Ambios XP-2TM

表面赞成锉刀。 作为这些样品构成和

生长率改变用不同的氧气压力，在

哥斯达黎加目标申请的dc飞溅力量必须被改变

在8-13 W之内为了得到用不同的哥斯达黎加含量

Cr0.05Ti0.95O2.36的有名无实的构成(

0.03 <x<0.07)的多晶的CrxTi1 O2影片

被放置在另外氧气分压下(即。 0， 0.04，

0.08和0.16 Pa)。X-射线光电子分光学分析

哥斯达黎加原子分数((XPS)多技术

式样S600)和X-射线fiuorescence分光学((XRF)，

Magix PW2403)。在本文描述的样品的

哥斯达黎加含量在x ~ 0.050 ±之内0.003的范围

。 影片的微结构描绘的

是为X-射线衍射计((XRD) Philips x’计划评审技术赞成， Cu Kα)

和传输电子显微镜术((TEM) JEOL 2010)。

磁性在温度范围

5-395 K被测量了使用量子设计有形资产

测量系统(PPMS-9)装备一个振动的

样品磁力仪(VSM)和一个superconducting的量子

干涉设备(乌贼)磁力仪(MPMS-5S)。影片的光学透射率由一个

紫外可看见的分光光度表(Shimadz 3101个人计算机)测量。

电子输运性质使用口音HL-5550PC

系统被测量了。

3. 结果和讨论

图1显示准备的XRD范围Cr0.05Ti0.95O2

影片用(a) 0 Pa不同的PO2， (b) 0.04 Pa、(c) 0.08 Pa和

(d) 0.16 Pa。 anatase的标准绕射图(坚实)和

金红石(该死的) TiO2也显示。
第二章
图1。 XRD样式(日志称)的Cr0。 05Ti0.95 O2影片

准备在另外PO2之下。 样品的所有高峰位置

对应于anatase的标准绕射图或TiO2

金红石结构。 对应于哥斯达黎加

或哥斯达黎加二氧化物的衍射峰顶在表1不存在，表明

可发现其他阶段不存在于哥斯达黎加： TiO2影片。 它能从

图1也被看见全宽在衍射峰顶的半

最大值平稳地变宽，当PO2减少，表明

在颗粒状大小的减退。 TEM测量

进行为了让进一步洞察进入哥斯达黎加被掺杂的TiO2

影片微结构。 图2显示Cr0.05Ti0.95O2样品的

高分辨率TEM图象与PO2 = 0.04和

0.08 Pa。 它能被看见影片的平均粒径

与PO2 = 0.04 Pa约为7.0毫微米。然而，当PO2

增加到0.08 Pa，平均粒径增加到

9.8毫微米，趋向是与XRD结果符合。
曲线在表3提出了是Cr0.05Ti0.95O2典型的

磁化圈？lms被放置在另外PO2之下在

室温。 样品是全部铁磁的以

清楚地hysteretic行为。 它知道哥斯达黎加金属是

顺磁的在高温度和antiferromagnetic在以下

308 K。 唯一的铁磁哥斯达黎加二氧化物是CrO2以TC

386 K和女士= 2.03 μB/Cr。
要歧视内在

铁磁性从那些哥斯达黎加或哥斯达黎加二氧化物，哥斯达黎加被掺杂的TiO2

样品零的领域冷(ZFC)和领域冷的(FC

)磁化曲线被计量从5到390 K

作为以下做法。样品在

零的领域首先冷却了从390到5 K，然后0.5 kOe

磁场是应用的，并且磁矩记录了

以增加从5的温度到390 K获得

ZFC曲线。 然后样品从390冷却了到5 K

在0.5 kOe之下的同一个领域。 在那以后，

磁矩记录了以增加从5的

温度到390 K获得FC曲线。
上部插页在表3

显示Cr0.05Ti0.95O2样品的代表的ZFC/FC

与PO2 = 0 Pa。 它能被看见清楚的分歧

在ZFC和FC曲线之间存在390 K，

显露Cr0.05Ti0.95O2样品的TC很好在

390 K.之上。 获得的TC表明Cr0.05Ti0.95O2影片

铁磁性不是从CrO2群并且

排除其他可能的铁磁贡献从

反铁磁性阶段，例如哥斯达黎加(与Neel

′温度， TN ≈ 311 K)和Cr2O3 (TN ≈ 308 K)。
图3。 Cr0的计划看法HREM图象。 Ti0. O2样品

准备在另外PO2之下： (a) 0.04 Pa和(b) 0.08 Pa。

图3。 Cr0滞后回线。 Ti0. O2 ？lms被放置下面

PO2 = 0， 0.04和0.08 Pa在300 K。 上部插页显示

ZFC/FC曲线为？lms与PO2 = 0 Pa测量了在0.5 kOe。

底下插页显示饱和的磁化曲线对

PO2在300 K。另一个重要特点在表3是

有名无实的饱和的磁化是~0.42 μB/Cr与

PO2 = 0 Pa，单调地减少对~0.09 μB/Cr

PO2 = 0.16 Pa。 Cr0.05Ti0.95O2影片的磁化

显示对PO2的强的依赖性，如被说明在底下

插页？gure 3。 这行为表明PO2在

飞溅过程中在哥斯达黎加TiO2系统的铁磁起源

扮演一个重要角色。它能从Cr0.05Ti0.95O2影片矫顽性减少以增加的颗粒状大小

的图3也被看见。

根据Arcas等，

所有铁磁样品矫顽性与

有效的magnetocrystalline各向异性现象恒定的K和

自发磁化女士有关通过联系[17]

HC = pK/Ms， (1)
那里p是取决于磁化过程的特殊

类型的一个无维的因素。 例如，

琢石者Wohlfarth模型给p = 2为noninteracting唯一

领域磁性粒子以单轴的磁性各向异性现象

[18的]理想。 你能从惯例(1)看K和

女士罐头？uence矫顽性。 为Cr0.05Ti0.95O2影片在

这项研究中，饱和的磁化改变与PO2和

因而以粒度。 所以，为了消灭

在女士fiuence在粒度依赖矫顽性的研究，

我们使用各向异性现象恒定的K ∝ HCMs作为显示

而不是 4展示依赖各向异性现象恒定

为Cr0.05Ti0.95O2影片放置在另外PO2之下

的粒度。 它能被看见各向异性现象常数

增加以越来越少的粒度，近似地以下

K ~ 1/D行为，可以解释用领域墙壁

pinningatgrainboundarieswhichbecomesprogressivelymore

高效率，当晶界的体积分数增加

[19,20]。 因此，被观察的1/D依赖性建议在

磁化方向上的变化通过过程仍然发生

相似与领域墙壁行动在大小下来到6毫微米，

在nano被构造的磁性金属报告的那小于

[20]。 然而，作为DMSs和nano被称的铁磁磁铁

磁性是复杂，

详述的研究工作应该执行为了

揭露粒度相关的磁性在转折

金属被掺杂的DMSs。最近，理论研究建议氧气

空位在电子结构在Co-有一伟大

在fiuence和铁磁性， Fe-， Cu掺杂了anatase和金红石

TiO2 [21-24]。 并且故意的总能表明

在过渡金属附近位于的氧气空位比那

近的钛稳定。 结果，转折金属原子

易于夺取空位电子，在

费密水平附近将改变总密度状态和因而导致

铁磁性的改进。 基于以上提到的

基本的框架，铁磁性在我们的哥斯达黎加被掺杂的

TiO2 ？lms可以把归咎到氧气空位。 不用氧气

出现在证言期间，在哥斯达黎加被掺杂的

TiO2应该有大量氧气空位？lm. 所以，

磁化是大。 在更高的PO2之下，氧气

空位部份地将补偿，导致氧气

空位的减少。如此总值磁化

减少与增加的PO2，如所显示？gure 3。 我们的

结果于最近报告也是相似的关于Ni被掺杂的TiO2

[25]和Fe被掺杂的TiO2 [26]，氧气空位

可能通过焖火大气的操作的地方

被斡旋。 此外，演算也表示，

转折金属原子和氧气空位之间的互作用

敏感地取决于他们之间的距离[21-24]。 如果

空位是进一步除转折金属原子之外，它

？在磁化最终将减少uence或

被减少了。 比较实验和演算

结果，平均磁矩每个哥斯达黎加原子在这里

氧气穷的样品在一个更低的范围。 这也许

部份地归结于氧气空位的相对地点，

不在转折金属原子最近的附近状态

。图5 (a)显示传输范围哥斯达黎加被掺杂的

TiO2影片被放置在另外PO2之下。 范围

影片显示挥动类型波纹，是光的干涉的

特征。 影片的transmittances

与更高的PO2那高于与更低的PO2。 当

波长到达紫外范围，由于

根本吸收在带隙附近，

透射率尖锐减少。 它能被看见

吸收端单调地转移到更短的波长，当PO2

增加，关联与在光学带隙上的

变化(即)。 即可以是坚定的从

吸收系数α被计算作为事件光子能量

E (hv) [27,28功能] ：

αhν = B (hν -即) 2， (2)
那里B是在被放置的影片关联以水晶结构

命令的常数。然后，即能

通过外推线性部分获得到光子

能量轴，如图5 (b)所显示。 获得即

哥斯达黎加被掺杂的TiO2 ？lm没有氧气是~3.33 eV，与

DeLoach报告的价值是定量地一致的

等[29]。 它能从即增加与增加的PO2的插页图也

被看见5 (b)。
电子测量表示，所有样品霍尔系数的

标志是正面的在室温，

建议孔统治传输机制。

然而，所有样品被放置在另外PO2之下

高度绝缘以价值在我们的仪器附近

测量极限>1011 /square的薄层电阻。

因此，抵抗力大于~106cm为考虑

厚度~200毫微米的所有样品。 我们的样品电介质

状态于最近报告是相似的关于转折金属

被掺杂的TiO2 [25,26]。4. 结论

总而言之，多晶的Cr0.05Ti0.95O2影片

由co飞溅方法准备在另外PO2之下。

铁磁性在所有样品很好被观察以TC在

390 K.之上。 影片的饱和磁化显示对

氧气成长压力的强的依赖性，当保留

恒定的哥斯达黎加含量时。 铁磁性在

影片被提高被放置以因而是氧气短少

的更低的氧气压力，表明氧气空位的一个重要角色

在哥斯达黎加被掺杂的TiO2的铁磁起源。
承认

这工作由节目在大学(NCET-04-0244

)和以下津贴支持为新的世纪

优秀天分： 中国(没有50401002和

10504024)的全国自然科学基础，全国高技术

(R

中国物理b是sci几区

期刊名 CHINESE PHYSICS B 出版周期: 月刊
中科院杂志分区 物理：综合分类下的 4 区期刊
近四年影响因子:
2013年度 2012年度 2011年度 2010年度
1.392 1.148 1.376 1.63
杂志由 IOP PUBLISHING LTD 出版或管理。 ISSN号：1674-1056
物理方面，国内是顶级。速度一般比物理学报快一点吧

Chinese Physics B 现在是不是SCI三区的期刊

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