正电子湮没技术用于缺陷引起的稀磁半导体铁磁性起源的研究

室温稀磁半导体是自旋电子器件研究的关键途径，但是其室温铁磁性的内禀属性及其起源的研究多有争议，尤其对于缺陷的探测技术有限，因而相关研究多集中在理论分析层面，难以进行深入的实验验证。本项目计划以最典型的TiO2和ZnO稀磁半导体为研究对象，基于慢正电子强束流装置以正电子湮没谱为主要方法，结合同步辐射X射线漫反射、X射线吸收谱、光电子能谱等方法，以电子辐照和离子注入为引入缺陷的主要手段，建立正电子湮没参数与不同类型缺陷的判断依据，得到缺陷类型和缺陷浓度的深度分布以及缺陷周围电子动量分布的信息，建立上述缺陷结构与材料铁磁性之间的相互关系,并尝试解释缺陷作用下铁磁性起源的物理机制。本研究将为室温稀磁半导体材料的铁磁性的作用机制研究提供实验依据，为自旋电子器件的发展提供新的表征方法和思路。

室温稀磁半导体是自旋电子器件研究的关键途径，但是其室温铁磁性的内禀属性及其起源的研究多有争议，尤其对于缺陷的探测技术有限，因而相关研究多集中在理论分析层面，难以进行深入的实验验证。本项目首先在理论模拟和分析的基础上，确定以最典型的金红石相TiO2块体材料为研究对象，基于慢正电子强束流装置以正电子湮没谱为主要方法，结合同步辐射X射线漫反射、X射线吸收谱、光电子能谱等传统方法，以电子辐照和离子注入为引入缺陷的主要手段，建立了正电子湮没参数与不同类型缺陷的判断依据，得到缺陷类型和缺陷浓度的深度分布以及缺陷周围电子动量分布的信息，建立上述缺陷结构与材料铁磁性之间的相互关系,并解释了缺陷作用下铁磁性起源的物理机制。.项目组首先通过第一原理模拟确定以金红石相TiO2为研究对象，并通过实验研究了热处理对非掺杂TiO2铁磁性的影响，建立了复合空位缺陷对铁磁性的影响，并为下一步的磁性和非磁性离子掺杂前的衬底材料处理提供了实验依据。其次，项目组还研究了磁性离子（Co+）和非磁性离子（N+）作用下缺陷对铁磁性的影响。高温高真空热处理的样品中主要的缺陷是O空位（Vo）和Ti3+-VO复合缺陷，且这两种缺陷都属于本征缺陷；热处理样品的室温铁磁性与O空位紧密相连，Ti3+离子中不成对电子的自旋磁矩是产生室温铁磁性的根本来源；另外，当金红石TiO2晶格中存在大量的过剩O离子时，它们又可以诱导Ti空位（VTi）的产生，Ti空位的出现可以导致样品饱和磁化强度的显著增大。N离子注入样品的缺陷类型主要包括O空位、Ti空位和VTi-NO复合缺陷；辐照样品室温铁磁性的起源可以归功于Ti空位和N原子替代O原子（NO），N原子替代O原子能够诱使铁磁性有序化的开始，而Ti空位的产生则能增强室温铁磁性的饱和磁化强度。.最后，在方法学研究方面，在实验设计和文献调研的基础上，结合本项目需要，项目组设计了用于变温测量的正电子测试样品腔，实现了从液氮温度到200℃的变温测量，并提出了以条纹相机技术为基础的新型正电子湮没谱仪的设计方案。