Nb:TiO2室温铁磁性机理及其自旋极化输运与调控的研究

探究半导体室温铁磁性的起源，以及寻找Tc高于室温且能实现自旋极化输运的、电场可调的铁磁性半导体材料，是目前自旋电子学研究的一大重点。Nb掺杂锐钛矿TiO2 （Nb:TiO2），是一种载流子浓度可调范围大、具有室温铁磁性的n型氧化物半导体材料，是最有可能用于制备室温自旋电子学器件的半导体之一。目前，迫切需要澄清的问题是，此氧化物半导体是否具有室温下的自旋极化输运特性，以及此半导体的室温铁磁性是否能够通过改变其载流子浓度来实现调控。在本课题中，我们将结合XPS和第一性原理计算揭示Nb:TiO2室温铁磁性的起源，制备Nb:TiO2基磁隧道结，探测其自旋极化输运特性，并对薄膜施加门电压，以调控薄膜的载流子浓度，探究其室温铁磁性随外电场也就是载流子浓度的变化情况，为Nb:TiO2基自旋半导体器件的设计和制备提供充分的实验依据。

围绕Nb:TiO2室温铁磁性机理及其自旋极化输运与调控问题，我们利用激光分子束外延(L-MBE)的方法制备了高质量的Nb:TiO2薄膜，通过X射线光电子能谱(XPS)，检测材料中元素所处的化学环境，并结合第一性原理计算与相关的输运测量，阐明了Nb:TiO2中铁磁性的起源是未配对的d电子。制备了高质量的Nb:TiO2基磁性隧道结，探测了该半导体室温下的自旋极化输运特性。项目实施基本上按照原计划进行，获得了如下研究成果：.1）Nb:TiO2薄膜室温铁磁性机理的研究：利用L-MBE方法制备了Nb:TiO2薄膜。XPS测量和第一性原理计算表明，未配对的d电子导致了Nb:TiO2中具有铁磁性。另外，研究发现，Nb:TiO2的铁磁性会随着载流子浓度的增大而增大，表现出载流子调控的特性。.2）Nb:TiO2基磁隧道结自旋极化输运的研究.制备了具有不同势垒厚度的高质量Nb:TiO2基磁性隧道结（MTJ）。在MTJ中观测到了类似于隧道磁电阻效应（TMR）的行为，在室温下，其TMR比率在29%左右，当温度降低到6K，其TMR比率达到了600%，表明Nb:TiO2具有极化输运的特征。其次，在不同掺杂浓度的Nb:TiO2薄膜的Hall结构中，通过测量电阻率随温度的变化曲线，发现Nb:TiO2中存在Kondo效应，表明Nb:TiO2中存在本征的局域磁矩。在对Hall电阻随磁场的变化情况的测量发现，5%掺杂的Nb:TiO2薄膜具有反常Hall效应，直接证明了Nb:TiO2中的载流子具有极化特性。上述结果表明，Nb:TiO2的载流子具有极化输运的特性，是制备自旋电子学器件的候选材料之一。.3）Kondo效应和Hall迁移率的电场调控.采用双电层场效应方法来调控锐钛矿TiO2薄膜器件的载流子浓度，使其从5.0×10^13增加到1.5×10^15 cm^-3，伴随着锐钛矿TiO2发生了绝缘体-金属相变，其电阻减小了近三个数量级。同时证实了在我们的锐钛矿TiO2器件样品中存在Kondo效应，并且具有较高的Kondo特征温度。更加有趣的是Kondo效应和霍尔迁移率都表现出很强的载流子依赖特性。因此我们可以改变栅压来调控Kondo效应，并且可以使霍尔迁移率提高接近一个数量级。我们对这些结果都给出了合理的解释。我们的实验证实了双电层场效应技术确实是研究、调控材料新奇物理性质强有力的工具。