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
stacks.iop.org/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。
2.Experiment
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HC.Figure 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
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
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