结构相变对Fe掺杂TiO2薄膜室温铁磁性的影响

顾建军; 孙会元; 刘力虎; 岂云开; 徐芹

doi:10.7498/aps.61.017501

摘要

采用直流磁控溅射方法在玻璃基底上制备了不同Fe掺杂浓度的TiO2薄膜, 并对其晶体结构和磁特性进行了研究.在所有掺杂样品中,均观察到了室温铁磁性, 磁性源于Fe离子与其近邻空间分布的空穴相互作用. 在掺杂量为7%的锐钛矿相薄膜中观察到了最大的磁化强度. 随着Fe掺杂浓度的进一步增加, TiO2的晶体结构逐渐由锐钛矿相向金红石相转变,并且磁性减弱. 不同结构的TiO2中TiO键长不同,导致替代的磁性Fe离子与空穴的作用强度发生改变, 进而使其磁性发生变化.

关键词:

Abstract

Fe doped TiO2 films are deposited on glass substrates using dc magnetron sputtering. The crystal structures and the magnetic properties of these films are studied. Room temperature ferromagnetism is observed in each of all the Fe doped TiO2 films. The source of magnetism is related to an exchange interaction between the transition-metal (Fe) ions and localized strapped holes. The maximal magnetization is observed in a TiO2 film with Fe concentration 7%. With the increase of Fe concentration, the crystal structure of TiO2 film transforms gradually from anatase phase to rutile phases, and magnetism in the film weakened. The changes of crystal structure and crystallization in TiO2 film resulting from Fe doping affect the change of ferromagnetism in the film.

Keywords:

作者及机构信息

1.
河北师范大学物理科学与信息工程学院, 石家庄 050016;

2.
河北民族师范学院物理系, 承德 067000;

3.
河北省新型薄膜材料重点实验室, 石家庄 050016

基金项目: 河北省自然科学基金(批准号：A2009000254)、河北民族师范学院博士基金(批准号：2010003)和河北省教育厅基金(批准号: Z2007422)资助的课题.

Authors and contacts

1.
College of Physics Science and Information Engineering, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050016, China;

2.
Department of Physics, Hebei Normal University for Nationalities, Chengde 067000, China;

3.
Key Laboratory of Advanced Films of Hebei Province, Shijiazhuang 050016, China

Funds: Project supported by the Natural Science Foundation of Hebei Province, China (Grant No. A2009000254 ), the Fund of Hebei Normal University for Nationalities, China (Grant No. 201003), and the Fund of Education Department of Hebei Province, China (Grant No. Z2007422).

参考文献

[1]	Pinto J V, Cruz M M, da Silva R C, Alves E, Godinhoa M 2005 J. Magn. Magn. Mater. 294 e73
[2]	Lu Z L, Zou W Q, Xu M X, Zhang F M 2009 Acta Phys. Sin. 58 8467 (in Chinese) [路忠林,邹文琴,徐明祥,张凤鸣 2009 58 8467]
[3]	Griffin K A, Pakhomov A B, Wang C M, Heald S M, Krishnan K M 2005 Phys. Rev. Lett. 94 157204
[4]	Cheng XW, Li X, Gao Y L, Yu Z, Long X, Liu Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 2018 (in Chinese) [程兴旺,李祥,高院玲,于宙,龙雪,刘颖 2009 58 2018]
[5]	Li G K, Zhang X Q, Wu H Y, Huang W G, Jin J L, Sun Y, Cheng Z H 2009 Chin. Phys. B 18 3551
[6]	Dietl T, Ohno H, Matsukura F 2000 Science 287 1019
[7]	Meng H J, Hou D L, Jia L Y, Ye X J, Zhou H J, Li X L 2007 J. Appl. Phys. 102 073905
[8]	Li X Y, Wu S X, Hu P, Xing X J, Liu Y J, Yu Y P, Yang M, Lu J Q, Li S W, Liu W 2009 J. Appl. Phys. 106 043913
[9]	Drera G, MozzatiMC, Galinetto P, Diaz F Y, Malavasi L, Bondino F, Malvestuto M, Sangaletti L 2010 Appl. Phys. Lett. 97 012506
[10]	Soo Y L, Kioseoglou G, Kim S, Kao Y H, Sujatha D P, Parise J, Gambino R J, Gouma P I 2002 Appl. Phys. Lett. 81 655
[11]	Kim D H, Yang J S, Lee K W, Bu S D, Kim D W, Noh T W, Oh S J, Kim Y W, Chung J S, Tanaka H, Lee H Y, Kawai T, Won J Y, Park S H, Lee J C 2003 J. Appl. Phys. 93 6125
[12]	Wei H, Yao T, Pan Z Y, Mai C, Sun Z H, Wu Z Y, Hu F C, Jiang Y, Yan W S 2009 J. Appl. Phys. 105 043903
[13]	ZhangY B, Li S, Goh G K L, Tripathy S 2008 Appl. Phys. Lett. 93 102510
[14]	Ma YW, Ding J, Yi J B, Zhang H T, Ng C M 2009 J. Appl. Phys. 105 07C503
[15]	Ney V, Ye S, Kammermeier T, Ney A, Zhou H, Fallert J, Kalt H, Lo F Y, Melnikov A,Wieck A D 2008 J. Appl. Phys. 104 083904
[16]	Seong N J, Yoon S G, Jo Y H, Jung M H, Cho C R, Yang J M 2006 Appl. Phys. Lett. 89 162109
[17]	Lee Y J, Jong M P D, Jansen R 2010 Appl. Phys. Lett. 96 082506
[18]	Gu J J, Liu L H, Qi Y K, Xu Q, Zhang H F, Sun H Y 2011 J. Appl. Phys. 109 023902
[19]	Spurr R A, Myers H 1957 Anal. Chem. 29 760
[20]	Qi Y K, Gu J J, Liu L H, Zhang H F, Xu Q, Sun H Y 2011 Acta Phys. Sin. 60 057502 (in Chinese) [岂云开, 顾建军, 刘力虎, 张海峰, 徐芹, 孙会元 2011 60 057502]
[21]	Xu J P, Lin Y B, Lu Z H, Liu X C, Lu Z L, Wang J F, Zou W Q, Lü L Y, Zhang F M, Du Y W 2006 Solid State Communications 140 514
[22]	Venkatesan M, Fitzgerald C B, Coey JMD 2004 Nature 430 630
[23]	Shannon R D 1964 J. Appl. Phys. 35 3414
[24]	Gennari F C, Pasquevich D M 1998 J. Mater. Sci. 33 1571

施引文献

[1]	Pinto J V, Cruz M M, da Silva R C, Alves E, Godinhoa M 2005 J. Magn. Magn. Mater. 294 e73
[2]	Lu Z L, Zou W Q, Xu M X, Zhang F M 2009 Acta Phys. Sin. 58 8467 (in Chinese) [路忠林,邹文琴,徐明祥,张凤鸣 2009 58 8467]
[3]	Griffin K A, Pakhomov A B, Wang C M, Heald S M, Krishnan K M 2005 Phys. Rev. Lett. 94 157204
[4]	Cheng XW, Li X, Gao Y L, Yu Z, Long X, Liu Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 2018 (in Chinese) [程兴旺,李祥,高院玲,于宙,龙雪,刘颖 2009 58 2018]
[5]	Li G K, Zhang X Q, Wu H Y, Huang W G, Jin J L, Sun Y, Cheng Z H 2009 Chin. Phys. B 18 3551
[6]	Dietl T, Ohno H, Matsukura F 2000 Science 287 1019
[7]	Meng H J, Hou D L, Jia L Y, Ye X J, Zhou H J, Li X L 2007 J. Appl. Phys. 102 073905
[8]	Li X Y, Wu S X, Hu P, Xing X J, Liu Y J, Yu Y P, Yang M, Lu J Q, Li S W, Liu W 2009 J. Appl. Phys. 106 043913
[9]	Drera G, MozzatiMC, Galinetto P, Diaz F Y, Malavasi L, Bondino F, Malvestuto M, Sangaletti L 2010 Appl. Phys. Lett. 97 012506
[10]	Soo Y L, Kioseoglou G, Kim S, Kao Y H, Sujatha D P, Parise J, Gambino R J, Gouma P I 2002 Appl. Phys. Lett. 81 655
[11]	Kim D H, Yang J S, Lee K W, Bu S D, Kim D W, Noh T W, Oh S J, Kim Y W, Chung J S, Tanaka H, Lee H Y, Kawai T, Won J Y, Park S H, Lee J C 2003 J. Appl. Phys. 93 6125
[12]	Wei H, Yao T, Pan Z Y, Mai C, Sun Z H, Wu Z Y, Hu F C, Jiang Y, Yan W S 2009 J. Appl. Phys. 105 043903
[13]	ZhangY B, Li S, Goh G K L, Tripathy S 2008 Appl. Phys. Lett. 93 102510
[14]	Ma YW, Ding J, Yi J B, Zhang H T, Ng C M 2009 J. Appl. Phys. 105 07C503
[15]	Ney V, Ye S, Kammermeier T, Ney A, Zhou H, Fallert J, Kalt H, Lo F Y, Melnikov A,Wieck A D 2008 J. Appl. Phys. 104 083904
[16]	Seong N J, Yoon S G, Jo Y H, Jung M H, Cho C R, Yang J M 2006 Appl. Phys. Lett. 89 162109
[17]	Lee Y J, Jong M P D, Jansen R 2010 Appl. Phys. Lett. 96 082506
[18]	Gu J J, Liu L H, Qi Y K, Xu Q, Zhang H F, Sun H Y 2011 J. Appl. Phys. 109 023902
[19]	Spurr R A, Myers H 1957 Anal. Chem. 29 760
[20]	Qi Y K, Gu J J, Liu L H, Zhang H F, Xu Q, Sun H Y 2011 Acta Phys. Sin. 60 057502 (in Chinese) [岂云开, 顾建军, 刘力虎, 张海峰, 徐芹, 孙会元 2011 60 057502]
[21]	Xu J P, Lin Y B, Lu Z H, Liu X C, Lu Z L, Wang J F, Zou W Q, Lü L Y, Zhang F M, Du Y W 2006 Solid State Communications 140 514
[22]	Venkatesan M, Fitzgerald C B, Coey JMD 2004 Nature 430 630
[23]	Shannon R D 1964 J. Appl. Phys. 35 3414
[24]	Gennari F C, Pasquevich D M 1998 J. Mater. Sci. 33 1571

[1]	张珠峰, 任银拴. 溶剂热制备铬掺杂硫化锌和硫化纳米结构和磁性能. , 2021, 70(13): 137103. doi: 10.7498/aps.70.20201963
[2]	张浩杰, 张茹菲, 傅立承, 顾轶伦, 智国翔, 董金瓯, 赵雪芹, 宁凡龙. 一种具有“1111”型结构的新型稀磁半导体(La_1–xSr_x)(Zn_1–xMn_x)SbO. , 2021, 70(10): 107501. doi: 10.7498/aps.70.20201966
[3]	章建辉, 韩季刚. 控制纳米结构以调控氧化锌的发光、磁性和细胞毒性. , 2015, 64(9): 097702. doi: 10.7498/aps.64.097702
[4]	赵翠莲, 甄聪棉, 马丽, 潘成福, 侯登录. Ge纳米结构的形貌与铁磁性研究. , 2013, 62(3): 037502. doi: 10.7498/aps.62.037502
[5]	李志文, 岂云开, 顾建军, 孙会元. 退火氛围对掺杂ZnO薄膜磁性的影响. , 2012, 61(13): 137501. doi: 10.7498/aps.61.137501
[6]	吴孔平, 顾书林, 朱顺明, 黄友锐, 周孟然. 非故意掺杂碳对ZnMnO:N磁性影响的实验与理论研究. , 2012, 61(5): 057503. doi: 10.7498/aps.61.057503
[7]	岂云开, 顾建军, 刘力虎, 张海峰, 徐芹, 孙会元. Al/ZnO/Al薄膜的结构与磁性分析. , 2011, 60(5): 057502. doi: 10.7498/aps.60.057502
[8]	赵晶晶, 舒迪, 祁欣, 刘恩克, 朱伟, 冯琳, 王文洪, 吴光恒. Co50Fe50-xSix合金的结构相变和磁性. , 2011, 60(10): 107203. doi: 10.7498/aps.60.107203.1
[9]	彭先德, 朱涛, 王芳卫. Co掺杂的ZnO稀磁半导体块体的退火热处理研究. , 2009, 58(5): 3274-3279. doi: 10.7498/aps.58.3274
[10]	陈静, 金国钧, 马余强. 氧空位对钴掺杂氧化锌半导体磁性能的影响. , 2009, 58(4): 2707-2712. doi: 10.7498/aps.58.2707
[11]	程兴旺, 李祥, 高院玲, 于宙, 龙雪, 刘颖. Co掺杂的ZnO室温铁磁半导体材料制备与磁性和光学特性研究. , 2009, 58(3): 2018-2022. doi: 10.7498/aps.58.2018
[12]	刘妍妍, 刘发民, 石霞, 丁芃, 周传仓. 钙钛矿型纳米BaFeO3的制备、结构表征及铁磁性研究. , 2008, 57(11): 7274-7278. doi: 10.7498/aps.57.7274
[13]	王叶安, 秦福文, 吴东江, 吴爱民, 徐茵, 顾彪. 基于电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积技术生长GaMnN稀磁半导体的研究. , 2008, 57(1): 508-513. doi: 10.7498/aps.57.508
[14]	于宙, 李祥, 龙雪, 程兴旺, 王晶云, 刘颖, 曹茂盛, 王富耻. Mn掺杂ZnO稀磁半导体材料的制备和磁性研究. , 2008, 57(7): 4539-4544. doi: 10.7498/aps.57.4539
[15]	孔令刚, 康晋锋, 王漪, 刘力锋, 刘晓彦, 张兴, 韩汝琦. CoxTi1－xO2－δ体材中氢退火引起的铁磁性及结构相变. , 2006, 55(3): 1453-1457. doi: 10.7498/aps.55.1453
[16]	林秋宝, 李仁全, 曾永志, 朱梓忠. TM掺杂的Ⅲ-Ⅴ族稀磁半导体电磁性质的第一原理计算. , 2006, 55(2): 873-878. doi: 10.7498/aps.55.873
[17]	韦志仁, 李军, 刘超, 林琳, 郑一博, 葛世艳, 张华伟, 董国义, 窦军红. Cu对Zn1－xFexO稀磁半导体磁性的影响. , 2006, 55(10): 5521-5524. doi: 10.7498/aps.55.5521
[18]	王漪, 孙雷, 韩德栋, 刘力锋, 康晋锋, 刘晓彦, 张兴, 韩汝琦. ZnCoO稀磁半导体的室温磁性. , 2006, 55(12): 6651-6655. doi: 10.7498/aps.55.6651
[19]	曾永志, 黄美纯. TM掺杂Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2黄铜矿半导体的电磁性质. , 2005, 54(4): 1749-1755. doi: 10.7498/aps.54.1749
[20]	匡安龙, 刘兴翀, 路忠林, 任尚坤, 刘存业, 张凤鸣, 都有为. 稀释磁性半导体Sn1-xMnxO2的室温铁磁性. , 2005, 54(6): 2934-2937. doi: 10.7498/aps.54.2934

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