《稀土(sm，gd)掺杂tio,2稀磁半导体的制备和磁性研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《稀土(sm，gd)掺杂tio,2稀磁半导体的制备和磁性研究（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、材料物理与化学专业优秀论文材料物理与化学专业优秀论文 稀土稀土(Sm(Sm，Gd)Gd)掺杂掺杂 TiOTiO稀磁半稀磁半导体的制备和磁性研究导体的制备和磁性研究关键词：稀磁半导体关键词：稀磁半导体 溶胶凝胶法溶胶凝胶法 稀土掺杂稀土掺杂 磁性能磁性能摘要：稀磁半导体学是自旋电子学的一个重要分支。稀磁半导体是将磁性离子 掺入传统非磁性半导体并占据其晶格位置，从宏观上表现出磁性。稀磁半导体 将同时利用载流子的电荷和自旋态两个自由度，从而使得高密度半导体集成电 路、非易失性存储器等器件的实现成为可能。 自从 2001 年 Y.Matsumoto 等 人报道，少量 Co 注入 TiO2 而形成的锐钛
2、矿薄膜具有室温铁磁性，加快了氧化 物半导体室温铁磁性的实验制备及理论研究工作。目前稀磁半导体氧化物的室 温磁性研究主要集中于 Mn、Cr、Fe、V、Ni 等过渡金属掺杂 ZnO，SnO2 或 TiO2 薄膜或纳米颗粒，研究了不同的制备工艺及具有争议的磁性起源。 稀土掺杂 材料取得了广泛的应用。人们大量研究了稀土掺杂半导体氧化物 ZnP、ZrO2、SnO2 和 TiO2 材料的发光等光学性能。然而，相关领域几乎没有稀 土掺杂稀磁半导体氧化物的室温铁磁性研究。TiO2 具有相近的禁带宽，高折射 率等性质，使其更容易被掺杂。为了能够从理论上更深刻地来理解稀磁半导体 的磁性机理及得到更好的性能，在论文
3、中用 sol-gel 制备了稀土（Sm，Gd）掺 杂 TiO2 基稀磁半导体氧化物纳米晶颗粒样品。 本研究用溶胶-凝胶法制备了 稀土 Sm，Gd 掺杂 TiO2 基稀磁半导体的纳米晶颗粒样品。 溶胶-凝胶法制备 的 Ti1-xSmxO2，Ti1-xGdxO2（0x0.06）纳米晶颗粒，再经过不同温度的退 火处理，得到所需的样品。 用 X 射线衍射（XRD）来测量分析样品的结构。 所有在 500退火得到的样品都表现为锐钛矿结构，Ti1- xSmxO2（0x0.06）样品在 650时开始向金红石结构转变，而 Ti1- xGdxO2（0x0.06）样品的转变温度在 600。在所有样品中都没有发现 S
4、m、Gd 及其对应氧化物的杂峰。并发现平均晶粒大小随温度升高、掺杂量增加 而增大。 拉曼光谱对 Ti0.98Sm0.02O2 纳米晶颗粒样品结构进行了分析。发 现所有拉曼峰都来自于锐钛矿结构，任何的杂相峰都没有发现，表明 Sm 完全掺 入 TiO2 的晶格中。 X 射线光电子能谱（XPS）来确定样中 Sm 元素的化合态。 发现在样品颗粒中 Sm 是以+3 价的 Sm3+存在的。无论是图像中 Sm 3d 5/2 和 Sm 3d 3/2 的位置，还是他们之间能量的差异，都表明在样品中 Sm 是以离子形式 存在的，同时证明了样品中没有 Sm 团簇结构。 实验中利用交变梯度磁强计 （AGM）对样品的磁
5、性能进行了测量。 实验中，发现所有的 Ti1-xSmxO2 和 Ti1-xGdxO2（0x0.06）纳米晶颗粒样品都具有明显的室温铁磁性。研究了 不同稀土掺杂量对 Ti1-xSmxO2 和 Ti1-xGdxO2（0x0.06）纳米晶颗粒样品 磁性的影响，发现稀土掺杂能增强实验样品的铁磁性，并存在一个最佳掺杂量， 大约在掺杂量为 x=0. 01。本文对稀土掺杂 TiO2 室温铁磁性产生的可能机制进 行了探讨。 为了进一步研究氧空位对 Sm-TiO2 基稀磁半导体铁磁性的影响， 对制备的样品进行了真空退火。用 AGM 对真空退火样品进行了磁性测量，发现 真空退火样品比空气中退火样品的磁性要强得多。
6、这是因为在真空，样品就更 容易产生氧空位，高浓度的氧空位会使得样品具有更好的室温铁磁性。因此， 本研究相信氧空位的存在对 Sm-doped TiO2 稀磁半导体的室温铁磁性是至关重 要的。 同时，样品的铁磁性随着退火温度的升高而降低。随着空气氛围下退火温度的升高，样品的平均粒径增大，纳米晶样品的结构就会越完善，从而使 得样品中氧空位的浓度减少。这种情况下，低温下退火就会产生较高浓度的氧 空位，然而，随着退火温度的提高，氧空位的浓度就会降低，同时使得铁磁性 的减弱。本研究认为观察到的室温铁磁性与氧空位有着密切的关系。正文内容正文内容稀磁半导体学是自旋电子学的一个重要分支。稀磁半导体是将磁性离子掺
7、 入传统非磁性半导体并占据其晶格位置，从宏观上表现出磁性。稀磁半导体将 同时利用载流子的电荷和自旋态两个自由度，从而使得高密度半导体集成电路、 非易失性存储器等器件的实现成为可能。 自从 2001 年 Y.Matsumoto 等人报 道，少量 Co 注入 TiO2 而形成的锐钛矿薄膜具有室温铁磁性，加快了氧化物半 导体室温铁磁性的实验制备及理论研究工作。目前稀磁半导体氧化物的室温磁 性研究主要集中于 Mn、Cr、Fe、V、Ni 等过渡金属掺杂 ZnO，SnO2 或 TiO2 薄膜 或纳米颗粒，研究了不同的制备工艺及具有争议的磁性起源。 稀土掺杂材料 取得了广泛的应用。人们大量研究了稀土掺杂半导
8、体氧化物 ZnP、ZrO2、SnO2 和 TiO2 材料的发光等光学性能。然而，相关领域几乎没有稀土掺杂稀磁半导体 氧化物的室温铁磁性研究。TiO2 具有相近的禁带宽，高折射率等性质，使其更 容易被掺杂。为了能够从理论上更深刻地来理解稀磁半导体的磁性机理及得到 更好的性能，在论文中用 sol-gel 制备了稀土（Sm，Gd）掺杂 TiO2 基稀磁半导 体氧化物纳米晶颗粒样品。 本研究用溶胶-凝胶法制备了稀土 Sm，Gd 掺杂 TiO2 基稀磁半导体的纳米晶颗粒样品。 溶胶-凝胶法制备的 Ti1- xSmxO2，Ti1-xGdxO2（0x0.06）纳米晶颗粒，再经过不同温度的退火处理， 得到所需
9、的样品。 用 X 射线衍射（XRD）来测量分析样品的结构。所有在 500退火得到的样品都表现为锐钛矿结构，Ti1-xSmxO2（0x0.06）样品在 650时开始向金红石结构转变，而 Ti1-xGdxO2（0x0.06）样品的转变温 度在 600。在所有样品中都没有发现 Sm、Gd 及其对应氧化物的杂峰。并发现 平均晶粒大小随温度升高、掺杂量增加而增大。 拉曼光谱对 Ti0.98Sm0.02O2 纳米晶颗粒样品结构进行了分析。发现所有拉曼峰都来自于锐 钛矿结构，任何的杂相峰都没有发现，表明 Sm 完全掺入 TiO2 的晶格中。 X 射线光电子能谱（XPS）来确定样中 Sm 元素的化合态。发现在
10、样品颗粒中 Sm 是 以+3 价的 Sm3+存在的。无论是图像中 Sm 3d 5/2 和 Sm 3d 3/2 的位置，还是他 们之间能量的差异，都表明在样品中 Sm 是以离子形式存在的，同时证明了样品 中没有 Sm 团簇结构。 实验中利用交变梯度磁强计（AGM）对样品的磁性能进 行了测量。 实验中，发现所有的 Ti1-xSmxO2 和 Ti1-xGdxO2（0x0.06） 纳米晶颗粒样品都具有明显的室温铁磁性。研究了不同稀土掺杂量对 Ti1- xSmxO2 和 Ti1-xGdxO2（0x0.06）纳米晶颗粒样品磁性的影响，发现稀土掺 杂能增强实验样品的铁磁性，并存在一个最佳掺杂量，大约在掺杂量
11、为 x=0. 01。本文对稀土掺杂 TiO2 室温铁磁性产生的可能机制进行了探讨。 为了进 一步研究氧空位对 Sm-TiO2 基稀磁半导体铁磁性的影响，对制备的样品进行了 真空退火。用 AGM 对真空退火样品进行了磁性测量，发现真空退火样品比空气 中退火样品的磁性要强得多。这是因为在真空，样品就更容易产生氧空位，高 浓度的氧空位会使得样品具有更好的室温铁磁性。因此，本研究相信氧空位的 存在对 Sm-doped TiO2 稀磁半导体的室温铁磁性是至关重要的。 同时，样品 的铁磁性随着退火温度的升高而降低。随着空气氛围下退火温度的升高，样品 的平均粒径增大，纳米晶样品的结构就会越完善，从而使得样品
12、中氧空位的浓 度减少。这种情况下，低温下退火就会产生较高浓度的氧空位，然而，随着退 火温度的提高，氧空位的浓度就会降低，同时使得铁磁性的减弱。本研究认为 观察到的室温铁磁性与氧空位有着密切的关系。稀磁半导体学是自旋电子学的一个重要分支。稀磁半导体是将磁性离子掺入传 统非磁性半导体并占据其晶格位置，从宏观上表现出磁性。稀磁半导体将同时 利用载流子的电荷和自旋态两个自由度，从而使得高密度半导体集成电路、非 易失性存储器等器件的实现成为可能。 自从 2001 年 Y.Matsumoto 等人报道， 少量 Co 注入 TiO2 而形成的锐钛矿薄膜具有室温铁磁性，加快了氧化物半导体 室温铁磁性的实验制备
13、及理论研究工作。目前稀磁半导体氧化物的室温磁性研 究主要集中于 Mn、Cr、Fe、V、Ni 等过渡金属掺杂 ZnO，SnO2 或 TiO2 薄膜或纳 米颗粒，研究了不同的制备工艺及具有争议的磁性起源。 稀土掺杂材料取得 了广泛的应用。人们大量研究了稀土掺杂半导体氧化物 ZnP、ZrO2、SnO2 和 TiO2 材料的发光等光学性能。然而，相关领域几乎没有稀土掺杂稀磁半导体氧 化物的室温铁磁性研究。TiO2 具有相近的禁带宽，高折射率等性质，使其更容 易被掺杂。为了能够从理论上更深刻地来理解稀磁半导体的磁性机理及得到更 好的性能，在论文中用 sol-gel 制备了稀土（Sm，Gd）掺杂 TiO2
14、 基稀磁半导体 氧化物纳米晶颗粒样品。 本研究用溶胶-凝胶法制备了稀土 Sm，Gd 掺杂 TiO2 基稀磁半导体的纳米晶颗粒样品。 溶胶-凝胶法制备的 Ti1- xSmxO2，Ti1-xGdxO2（0x0.06）纳米晶颗粒，再经过不同温度的退火处理， 得到所需的样品。 用 X 射线衍射（XRD）来测量分析样品的结构。所有在 500退火得到的样品都表现为锐钛矿结构，Ti1-xSmxO2（0x0.06）样品在 650时开始向金红石结构转变，而 Ti1-xGdxO2（0x0.06）样品的转变温 度在 600。在所有样品中都没有发现 Sm、Gd 及其对应氧化物的杂峰。并发现 平均晶粒大小随温度升高、掺
15、杂量增加而增大。 拉曼光谱对 Ti0.98Sm0.02O2 纳米晶颗粒样品结构进行了分析。发现所有拉曼峰都来自于锐 钛矿结构，任何的杂相峰都没有发现，表明 Sm 完全掺入 TiO2 的晶格中。 X 射线光电子能谱（XPS）来确定样中 Sm 元素的化合态。发现在样品颗粒中 Sm 是 以+3 价的 Sm3+存在的。无论是图像中 Sm 3d 5/2 和 Sm 3d 3/2 的位置，还是他 们之间能量的差异，都表明在样品中 Sm 是以离子形式存在的，同时证明了样品 中没有 Sm 团簇结构。 实验中利用交变梯度磁强计（AGM）对样品的磁性能进 行了测量。 实验中，发现所有的 Ti1-xSmxO2 和 T
16、i1-xGdxO2（0x0.06） 纳米晶颗粒样品都具有明显的室温铁磁性。研究了不同稀土掺杂量对 Ti1- xSmxO2 和 Ti1-xGdxO2（0x0.06）纳米晶颗粒样品磁性的影响，发现稀土掺 杂能增强实验样品的铁磁性，并存在一个最佳掺杂量，大约在掺杂量为 x=0. 01。本文对稀土掺杂 TiO2 室温铁磁性产生的可能机制进行了探讨。 为了进 一步研究氧空位对 Sm-TiO2 基稀磁半导体铁磁性的影响，对制备的样品进行了 真空退火。用 AGM 对真空退火样品进行了磁性测量，发现真空退火样品比空气 中退火样品的磁性要强得多。这是因为在真空，样品就更容易产生氧空位，高 浓度的氧空位会使得样品具有更好的室温铁磁性。因此，本研究相信氧空位的 存在对 Sm-doped TiO2 稀磁半导体的室温铁磁性是至关重要的。 同时，样品 的铁磁性随着退火温度的升高而降低。随
