稀磁半导体材料晶格畸变及室温磁性调控研究

As a new type of functional material with both magnetic and electronic properties, dilute magnetic semiconductor (DMS) has great potential in the application of spintronics. Research on effective method to control its properties is an important factor to promote its application. This project uses Co doped titanium dioxide thin film as an example, and focuses on adjusting the distance between Co ions and O vacancies at the sub-lattice level by introducing lattice distortion. This would change the coupling strength and lead to the optimization of the room temperature magnetism. Lattice of the epitaxial thin film can be adjusted via two routes: the first is to introduce film lattice compression and expansion by using substrates with different lattice constants; the second way is to grow the film on a certain substrate with different thicknesses. The impact of the substrate on the film lattice distortion will be weakened as a result of stress relaxation with increased film thickness. These two complementary methods will reveal the influence of lattice distortion of the Co doped titanium dioxide film on its electronic structure and properties. Such experimental result will be combined with theoretical calculations and provide valuable reference for adjusting the properties of DMS for their application in spintronic devices.

作为集磁和电于一体的新型功能材料，稀磁半导体材料在自旋电子学中有很大的应用潜能。研究实现对其性能自主控制的有效方法是推动其应用的重要因素。本项目以Co掺杂的二氧化钛稀磁半导体薄膜为例，通过诱导晶格畸变，在亚晶格层面上控制Co离子与O空位的间距，调节耦合作用强度，优化材料的室温磁性。外延生长薄膜的晶格常数可通过两种方式调节：一是选择具有不同晶格常数的衬底材料诱导薄膜产生压缩或膨胀的晶格畸变；二是在给定衬底材料上改变薄膜的生长厚度。由于内应力随膜厚增加而释放，衬底材料对晶格畸变的影响将逐渐减小。两种方式相互补充，将揭示Co掺杂的二氧化钛薄膜晶格畸变对于材料电子结构和性能影响的规律。这些实验规律将与理论计算相结合，为调控稀磁半导体材料性能，设计相应的自旋电子器件提供参考。

作为集磁和电为一体的新型功能材料，稀磁半导体材料在自旋电子器件中有着重要的应用潜能。探索其室温磁性来源并实现对其磁性的调控是推动其应用的重要因素。本项目以氧化物磁性半导体薄膜为例，在优化其关键制备参数的基础上，通过选择具有不同晶格常数的衬底材料及改变薄膜厚度两种方式调节衬底对薄膜作用的强弱，重点研究了衬底对薄膜微观结构和室温磁性的调控作用。系统分析了不同衬底上薄膜的晶格常数变化规律，建立了薄膜微观结构、元素价态和缺陷浓度与室温磁性的内在联系。揭示了在特定衬底上，随着氧化钛薄膜厚度增加，其显微结构从非晶态向锐钛矿和金红石两个晶化相的转变，及此显微结构的演变对磁性的影响。项目结合理论计算，对比研究了不同缺陷浓度下，氧化钛的非晶结构及晶化相中的磁矩分布及磁性产生的机制。实验和理论计算研究表明，缺陷更易于存在于氧化钛的非晶结构中，且其磁距主要分布在由氧空位引起的Ti3+附近。综上，项目提出了通过衬底作用影响薄膜材料的显微结构，实现对其室温磁性调控的新思路，并在实验和理论方面验证了该思路的可行性。项目的研究成果可进一步拓展到其他材料体系，为设计和制备具有特定性能，满足不同应用场合需求的磁性半导体材料奠定了良好的基础。