过渡金属和氮共掺TiO2的氧空位分析及其对磁性的影响

The dilute magnetic semiconductors formed by doping metal ions or nonmental ions into tradational semiconductors can take advantages of both charge property and spin property of electrons, among which TiO2-based diluted magnetic semiconductors have low carrier density (in insulator zone) and room temperature saturation magnetization; the magnetism is sensitive with oxygen vacancies density. The detail study on oxygen vacancies of TiO2-based dilute magnetic semiconductors is not only of great advantage for understanding the mechanic of magnetism origin and coupling between magnetic moments term as well as the onset of ferromagnetism. In this prject, the research will focus on the transition metal and nitrogen codoped TiO2 nanoparticles. By controlling the oxygen vacancies in the dilute magnetic semiconductors systems, the forming, distribution and density of oxygen cacancies will be investigated by positron annihilation technique; The interplay between oxygen vacancies, doping impurities, and their effects on the density of charge carries and ferromagnetism will be drawn out; By studying the the relations between the content of transition metal and nitrogen with the strength of room temperature magnetism, to gain the relations between magnetism and oxygen vacancies; The origins of dilute magnetic property of TiO2-based nanoparticles will be investigated by theoretical study.

在传统半导体中掺入金属元素或非金属元素形成磁性半导体，磁性半导体可同时利用电子的电荷属性和自旋属性，其中TiO2基稀磁半导体的载流子浓度较小属于绝缘区，具有室温铁磁性，磁性与氧空位浓度有关。对TiO2基稀磁半导体材料中的氧空位进行研究有助于弄清磁性来源、不同磁矩之间的耦合规律以及铁磁性产生的原因等基本科学问题，从而为有效调控TiO2基稀磁半导体磁性提供依据。本项目将以过渡金属和氮共掺TiO2纳米颗粒为材料体系，调控TiO2纳米颗粒体系中的氧空位，用正电子湮没技术对氧空位的形成、分布和密度进行研究，揭示氧空位、掺杂杂质及它们对载流子浓度和铁磁性的综合影响。通过过渡族金属元素和氮元素含量调控纳米颗粒中铁磁性强弱，弄清磁性与氧空位两者之间的关系。通过理论计算探索稀磁特性的物理本质。

在传统半导体中掺入金属元素或非金属元素形成磁性半导体，磁性半导体可同时利用电子的电荷属性和自旋属性，其中TiO2基稀磁半导体的载流子浓度较小属于绝缘区，具有室温铁磁性，磁性与氧空位浓度有关。本项目结合申请人在纳米TiO2制备、磁性研究和第一性原理计算方面的研究基础，提出通过纳米结构TiO2金属掺杂、非金属掺杂和金属非金属共掺杂调制氧空位，合并实验和第一性原理理论计算对氧空位存在下金属、非金属掺杂以及两者共掺杂对磁性的影响进行了深入的分析，实现了通过过渡族金属和氮共掺杂TiO2纳米体系中氧空位的调控，用PL谱研究了氧空位，揭示了氧空位、掺杂杂质及它们对铁磁性的综合影响。我们采用阳极氧化法制备了Fe和N共掺杂的TiO2纳米管薄膜体系，测得其具有室温铁磁性，从PL谱特征峰中证实所有样品中均存在大量的氧空位，Fe和N共掺杂样品的饱和磁化强度最高，第一性原理计算了氧空位存在时TiO2超胞的磁性，超胞磁矩计算结果与磁性测试实验结果一致。我们采用阳极氧化法制备了Mo和N共掺杂的TiO2纳米管薄膜体系，测得该体系具有室温铁磁性，Mo和N共掺杂样品的饱和磁化强度最高，在该体系中Mo价态为６＋，Ti价态为３＋，第一性原理计算与实验相符。我们采用阳极氧化法制备了Cu和N共掺杂的TiO2纳米管薄膜体系，测得该体系具有室温铁磁性，Cu掺杂样品的饱和磁化强度最高，在该体系中Cu价态为＋２或＋１，结合第一性原理计算分析了磁性的来源。我们采用阳极氧化法制备了Ru和N共掺杂的TiO2纳米管薄膜体系，测得该体系具有室温铁磁性，Ru掺杂样品的饱和磁化强度最高，在该体系中Ru价态为３＋，Ti价态为４＋，结合第一性原理计算分析了氧空位存在时晶胞磁矩的变化。采用溶胶凝胶法制备成功了Fe和Ｃ共掺杂、金属Mn掺杂、金属Au微粒掺杂的TiO2纳米薄膜体系，系统研究了氧空位和室温稀磁特性之间关联。研究了Fe和Ｃ共掺杂样品在通氧气氛和不通氧气氛处理后氧空位浓度的变化对体系室温稀磁特性的影响，氧空位浓度增加室温饱和磁化强度增强。研究了Mn掺杂TiO２样品的室温铁磁性，样品具有室温稀磁特性，并计算得出Mn掺入TiO２晶格中氧空位最近邻的位置。研究了金属Au纳米颗粒吸附掺杂的TiO2纳米薄膜体系，实验表明随着样品的室温稀磁特性随着氧空位的变化被调制，当氧空位同时出现在样品表面和样品晶格内部时获得了最好的室温铁磁性。