氧空位调制磁性元素掺杂二氧化钛铁磁性的可逆转变性质研究

Ferromagnetic semiconductor materials is an important spintronics materials，has recently been attracting extensive attention，which is one of the current research focus.This project aims to direct sputtering of magnetic elements doped TiO2 thin films and heterojunction, the systematic analysis of the oxygen partial pressure, substrate temperature, and other process parameters on the material properties of the thin-film crystalline structure, elemental composition and chemical states, effective regulation of the components, structure and oxygen vacancies in the transition metal doped TiO2 diluted magnetic semiconductor; By improving the preparation process, doping and electric field induced regulation of room temperature magnetic semiconductors, to achieve ferromagnetic reversible transition. Film samples were characterized by X-ray diffraction, Superconducting Quantum Interference Device et al modern analytical testing methods, characterization of the composition, structure, and electromagnetic properties of the films，analysis of the magnetoresistance, spin transport and anomalous Hall effect in samples,to obtain the exchange coupling regularity of the magnetic elements with oxygen vacancies, regulated by the concentration of oxygen vacancies in the modulation film magnetic properties of diluted magnetic semiconductor,to achieve ferromagnetic reversible transition， and provide a valuable foundation for the application of the diluted magnetic semiconductor data for further understanding of forming a ferromagnetic order and magnetic impurity doping.

铁磁性半导体材料作为重要的一类自旋电子学材料，在实际应用中受到普遍关注，是当前的研究热点之一。本项目在前期研究基础上，拟采用磁控溅射技术制备过渡族磁性元素掺杂的TiO2稀磁半导体薄膜及其异质结系列样品，系统分析薄膜溅射过程中的氧分压、衬底温度等工艺参数对薄膜结晶结构、元素组分及化学态等材料特性的影响，实现对过渡金属掺杂的TiO2稀磁半导体的组分、结构和氧空位的有效调控；通过改善制备工艺、掺杂以及电场诱导调控磁半导体的室温磁性，实现样品铁磁性的可逆转变, 利用X射线、超导量子干涉等现代分析测试手段对薄膜的组分、结构及电磁性能进行表征，分析样品中磁电阻、自旋输运和反常霍尔效应，得到磁性元素与氧空位的交换耦合规律，进一步认识磁性杂质掺杂形成铁磁序的机理，为稀磁半导体的应用提供理论指导和基础数据。

本项目以氧化物宽禁带半导体TiO2为基体,通过掺杂磁性元素,可将非磁性半导体转变成铁磁性半导体, 其研究重点是如何让半导体获得室温以上的铁磁性且半导体性质不被破坏。通过制备工艺实现对过渡金属掺杂的TiO2稀磁半导体的组分、结构和氧空位的有效调控以及电场诱导调控磁半导体的室温磁性，实现样品铁磁性的可逆转变, 同时通过少量掺杂调控TiO2薄膜中的氧空位，研究高低电阻变化规律。鉴于这一想法，本项目通过分子束外延法在Nb:STO衬底上外延生长Mn掺杂TiO2，然后对样品上下表面镀上金属电极，构成金属/Mn:TiO2 /Nb:STO/金属器件。然后研究对器件施加正反偏压，观察磁性质是否有变化。对于未施加偏压的初始器件展现出顺磁行为；当对器件施加一正向偏压使其处于低阻态时，器件展现出很明显的铁磁性；而另一方面施加一反向偏压使处于高阻态时也展现铁磁性。这一外电场诱导的铁磁性行为可能与氧空位的变化有很大关系并且束缚磁激子模型能做出很好的解释。本实验思路本人已经申请一个专利（申请专利号：201410361219.4）。根据实验条件，本人采用化学氧化剥离法制备氧化石墨烯（GO）并旋涂成膜，然后光照还原，通过调节光照时间或功率控制还原GO的电导率，光照时间越长电导率越大，直至饱和。最大可达50 S/cm。通过改变光照时间，测试不同光照时间下还原GO的 XPS，得出含氧量变化的趋势。由于GO的禁带宽度受控于含氧量，在实验中，我们通过调节激光功率来调控GO的还原程度，进而实现对其禁带宽度的调谐。将光照的氛围由空气改为氨气，还原的同时可以实现氮原子掺杂，以及控制掺杂浓度，最大可达17.3%。制作场效应晶体器件进行测试证实了氮原子掺杂会使氮掺杂并还原GO的导电类型转变为 n 型，应用于n型场效应晶体管。本项目完成了2篇SCI收录论文，其中一篇是应用物理类国际著名2区TOP期刊（Applied Physics Letters）, 2篇论文正在投稿中。申请专利3个。