半导体学报iop

半导体学报iop

指导博士生4人，现有博士生1人。长期从事微纳电子薄膜材料及器件方面的研究，研究方向涉及非晶半导体薄膜、磁性薄膜和介质薄膜及其相关器件。近年来在微/纳电子薄膜材料方面开展了一系列研究工作，包括硫系化合物半导体薄膜、磁敏感薄膜（巨磁电阻GMR薄膜、NiFe薄膜等）、纳米电介质薄膜、存储器电极薄膜等电子薄膜材料；同时进行与上述电子薄膜相关的器件的研究。目前两个主要的研究方向，其一是微磁传感器（GMR，AMR）及其生物检测应用，包括磁敏感器件工艺实现以及信号处理，并与微流体技术结合，开发新型磁性生物芯片系统。目标是研究开发针对疾病诊断和筛查的微芯片检测系统。另一个研究方向是新型相变材料及不挥发存储器的研究，包括研究开发新型含硅系列硫系化合物相变介质以降低存储器写操作电流；研究开发层叠式相变存储介质以实现多位存储，提高存储密度；研究新型相变介质，以满足存储器高温应用的需求等。近5年来承担包括国家“863”计划项目，“863”计划重点项目-子项目、国家自然科学基金项目、上海市纳米专项，国际合作项目等科研项目。发表学术论文60篇，其中SCI、或EI收录论文超过36篇。获授权发明专利4项。担任英国物理学会（IOP）、美国《Journal of Electronic Materials》杂志、德国《Appl. Phys. A》、中国《Chinese Physics Letters》杂志、德国《Physica Status Solidi》杂志和中国《半导体学报》等杂志的特约评审人。

英语翻译成汉语,论文

第一章
物理
D IOP出版的学报： 应用物理学
J。 Phys。 D ： Appl. Phys。 41 (2008) 015005 (5pp)
doi ：10.1088/0022-3727/41/1/015005
氧气分压的作用在哥斯达黎加被掺杂的
TiO2铁磁性摄制
肖?张， Weihua Wang， Luyan李， Yahui城， Xiaoguang罗和
电子，
学院信息技术科学， Nankai大学，天津300071，中华人民共和国
电子邮件的惠Liu1部门
：
接受了2007年10月15日，以最后的形式2007日在网上出版
12月12日2007日在
JPhysD/41/015005 11月的9日
抽象

多晶的哥斯达黎加被掺杂的TiO2films由co飞溅哥斯达黎加和TiO2目标和O2混合物

在纯净的Ar制造以各种各样的氧气分压。 铁磁性在所有

样品被观察，并且居里温度很好在390 K.之上。 影片的饱和磁化

显示对氧气成长压力的强的依赖性，当保留恒定的哥斯达黎加

含量时。 铁磁性在影片被提高被放置以因而

是氧气短少的更低的氧气压力，表明氧气空位的一个重要角色在

哥斯达黎加被掺杂的TiO2的铁磁起源。

(有些图在这篇文章上在仅颜色在电子版本)
1. 介绍

从在室温铁磁性的发现上在

Co被掺杂的anatase TiO2 [1]，这在所谓的spintronic设备有

成为的一个战胜的焦点在

材料学领域为转折金属被掺杂的被稀释的

磁性半导体(DMSs)的研究，由于他们

潜在的应用。 设备的这新一代有不挥发性

、更高的数据处理速度、更低的电力的消耗量

和增加的综合化密度的好处

，比较常规

半导体装置[2]。 迄今，许多努力为

查寻在宽被结合的二氧化物半导体被执行了高居里温度

(TC)铁磁性例如TiO2， ZnO和

SnO2，服用Co、Ni、哥斯达黎加、Mn和V [1-11]。 然而，
查寻高居里温度(TC)铁磁性在

宽被结合的二氧化物半导体例如TiO2， ZnO和

SnO2，服用Co、Ni、哥斯达黎加、Mn和V [1-11]。 然而，

变化在过程中在样品成长和岗位

成长期间互相使实验性结果相当

矛盾。当一些研究工作表明时

铁磁性在DMSs起源于次要

阶段金属在它成群[9， 10]，其他小组报道

铁磁性是内在的以缺乏这样

沉淀物[1-8]。 理论上，几个模型

用于解释铁磁性用DMSs的不同的类型。

例如，经常被援引的Ruderman-Kittel-Kasuya-

Yosida (RKKY)类型为Mn解释的模型： GaAs DMS

根据sp-d交换在sp巡回载体

和转折金属掺杂的元素之间[12的]地方

d状态。 Superexchange、双交换和交换通过

一定的磁性polarons (BMPs)也被祈求

解释铁磁命令在室温

[3之上]。 而且， Coey等[13]在氧化物延伸BMPs

入F中心斡旋的BMPs (FC BMPs)模型

解释高TC铁磁性。在转折金属被掺杂的DMSs之中，基于TiO2的

DMSs由于他们的特别多种潜在的应用

在光电探测器、催化剂、太阳能电池、消毒器具在

医院，防护涂层和透明举办的电极

广泛被学习了。 此外， TiO2 anatase结构的

格子是合理地搭配得不错的与Si，

做它一名头等候选人为未来综合化用基于Si的

设备[3]。 到现在，高TC铁磁性在基于TiO2的

DMSs一般认为一种内在现象

[13， 14]。
并且它现在知道被掺杂的过渡金属的

磁矩强烈取决于准备

方法和条件，即使仍然没有确定

协议，关于DMSs磁性的本质

由不同的方法和不同的小组现在准备了。

最近，它被发现结构瑕疵在铁磁性的

起源在nano-和唯一水晶哥斯达黎加扮演一个重要

角色： TiO2 DMS系统[3,4]。 一定数量的

实验工作表示，有铁磁

行为和与氧气相关的点瑕疵之间的一种

接近的交互作用在基于TiO2的DMSs [15， 16]。所以，

除理解铁磁性的微观起源以外

在DMSs，提供具体准备

情况和DMSs之间磁性行为的更加详细的

交互作用也是非常重要的。

在这项研究，多晶的CrxTi1 O2影片以哥斯达黎加

含量x = 0.05由co飞溅哥斯达黎加

和TiO2目标在一个纯净的Ar和O2混合物制造。 各种各样的

氧气分压(PO2)在哥斯达黎加被掺杂的TiO2影片

用于改变氧气空位的集中。

密切关系在铁磁性和氧气压力之间

被找到，表明氧气空位的一个重要角色在

哥斯达黎加被掺杂的TiO2铁磁性。
ment

多晶的Cr0.05Ti0.95O2 ？lms由co飞溅

哥斯达黎加(99.99制造 基体转动在30转每分钟在证言期间

，并且从目标的距离到基体约为

16 cm。TiO2目标的RF飞溅力量

被保留了在300 W。 影片在玻璃和kapton基体

被放置了为结构和磁性的测量

，分别。 基体温度被保留了

在400 ?С在证言期间。？lm厚度

被保留了在~200毫微米并且取决于Ambios XP-2TM

表面赞成锉刀。 作为这些样品构成和

生长率改变用不同的氧气压力，在

哥斯达黎加目标申请的dc飞溅力量必须被改变

在8-13 W之内为了得到用不同的哥斯达黎加含量

Cr0.05Ti0.95O2.36的有名无实的构成(

0.03 <x<0.07)的多晶的CrxTi1 O2影片

被放置在另外氧气分压下(即。 0， 0.04，

0.08和0.16 Pa)。X-射线光电子分光学分析

哥斯达黎加原子分数((XPS)多技术

式样S600)和X-射线fiuorescence分光学((XRF)，

Magix PW2403)。在本文描述的样品的

哥斯达黎加含量在x ~ 0.050 ±之内0.003的范围

。 影片的微结构描绘的

是为X-射线衍射计((XRD) Philips x’计划评审技术赞成， Cu Kα)

和传输电子显微镜术((TEM) JEOL 2010)。

磁性在温度范围

5-395 K被测量了使用量子设计有形资产

测量系统(PPMS-9)装备一个振动的

样品磁力仪(VSM)和一个superconducting的量子

干涉设备(乌贼)磁力仪(MPMS-5S)。影片的光学透射率由一个

紫外可看见的分光光度表(Shimadz 3101个人计算机)测量。

电子输运性质使用口音HL-5550PC

系统被测量了。

3. 结果和讨论

图1显示准备的XRD范围Cr0.05Ti0.95O2

影片用(a) 0 Pa不同的PO2， (b) 0.04 Pa、(c) 0.08 Pa和

(d) 0.16 Pa。 anatase的标准绕射图(坚实)和

金红石(该死的) TiO2也显示。
第二章
图1。 XRD样式(日志称)的Cr0。 05Ti0.95 O2影片

准备在另外PO2之下。 样品的所有高峰位置

对应于anatase的标准绕射图或TiO2

金红石结构。 对应于哥斯达黎加

或哥斯达黎加二氧化物的衍射峰顶在表1不存在，表明

可发现其他阶段不存在于哥斯达黎加： TiO2影片。 它能从

图1也被看见全宽在衍射峰顶的半

最大值平稳地变宽，当PO2减少，表明

在颗粒状大小的减退。 TEM测量

进行为了让进一步洞察进入哥斯达黎加被掺杂的TiO2

影片微结构。 图2显示Cr0.05Ti0.95O2样品的

高分辨率TEM图象与PO2 = 0.04和

0.08 Pa。 它能被看见影片的平均粒径

与PO2 = 0.04 Pa约为7.0毫微米。然而，当PO2

增加到0.08 Pa，平均粒径增加到

9.8毫微米，趋向是与XRD结果符合。
曲线在表3提出了是Cr0.05Ti0.95O2典型的

磁化圈？lms被放置在另外PO2之下在

室温。 样品是全部铁磁的以

清楚地hysteretic行为。 它知道哥斯达黎加金属是

顺磁的在高温度和antiferromagnetic在以下

308 K。 唯一的铁磁哥斯达黎加二氧化物是CrO2以TC

386 K和女士= 2.03 μB/Cr。
要歧视内在

铁磁性从那些哥斯达黎加或哥斯达黎加二氧化物，哥斯达黎加被掺杂的TiO2

样品零的领域冷(ZFC)和领域冷的(FC

)磁化曲线被计量从5到390 K

作为以下做法。样品在

零的领域首先冷却了从390到5 K，然后0.5 kOe

磁场是应用的，并且磁矩记录了

以增加从5的温度到390 K获得

ZFC曲线。 然后样品从390冷却了到5 K

在0.5 kOe之下的同一个领域。 在那以后，

磁矩记录了以增加从5的

温度到390 K获得FC曲线。
上部插页在表3

显示Cr0.05Ti0.95O2样品的代表的ZFC/FC

与PO2 = 0 Pa。 它能被看见清楚的分歧

在ZFC和FC曲线之间存在390 K，

显露Cr0.05Ti0.95O2样品的TC很好在

390 K.之上。 获得的TC表明Cr0.05Ti0.95O2影片

铁磁性不是从CrO2群并且

排除其他可能的铁磁贡献从

反铁磁性阶段，例如哥斯达黎加(与Neel

′温度， TN ≈ 311 K)和Cr2O3 (TN ≈ 308 K)。
图3。 Cr0的计划看法HREM图象。 Ti0. O2样品

准备在另外PO2之下： (a) 0.04 Pa和(b) 0.08 Pa。

图3。 Cr0滞后回线。 Ti0. O2 ？lms被放置下面

PO2 = 0， 0.04和0.08 Pa在300 K。 上部插页显示

ZFC/FC曲线为？lms与PO2 = 0 Pa测量了在0.5 kOe。

底下插页显示饱和的磁化曲线对

PO2在300 K。另一个重要特点在表3是

有名无实的饱和的磁化是~0.42 μB/Cr与

PO2 = 0 Pa，单调地减少对~0.09 μB/Cr

PO2 = 0.16 Pa。 Cr0.05Ti0.95O2影片的磁化

显示对PO2的强的依赖性，如被说明在底下

插页？gure 3。 这行为表明PO2在

飞溅过程中在哥斯达黎加TiO2系统的铁磁起源

扮演一个重要角色。它能从Cr0.05Ti0.95O2影片矫顽性减少以增加的颗粒状大小

的图3也被看见。

根据Arcas等，

所有铁磁样品矫顽性与

有效的magnetocrystalline各向异性现象恒定的K和

自发磁化女士有关通过联系[17]

HC = pK/Ms， (1)
那里p是取决于磁化过程的特殊

类型的一个无维的因素。 例如，

琢石者Wohlfarth模型给p = 2为noninteracting唯一

领域磁性粒子以单轴的磁性各向异性现象

[18的]理想。 你能从惯例(1)看K和

女士罐头？uence矫顽性。 为Cr0.05Ti0.95O2影片在

这项研究中，饱和的磁化改变与PO2和

因而以粒度。 所以，为了消灭

在女士fiuence在粒度依赖矫顽性的研究，

我们使用各向异性现象恒定的K ∝ HCMs作为显示

而不是 4展示依赖各向异性现象恒定

为Cr0.05Ti0.95O2影片放置在另外PO2之下

的粒度。 它能被看见各向异性现象常数

增加以越来越少的粒度，近似地以下

K ~ 1/D行为，可以解释用领域墙壁

pinningatgrainboundarieswhichbecomesprogressivelymore

高效率，当晶界的体积分数增加

[19,20]。 因此，被观察的1/D依赖性建议在

磁化方向上的变化通过过程仍然发生

相似与领域墙壁行动在大小下来到6毫微米，

在nano被构造的磁性金属报告的那小于

[20]。 然而，作为DMSs和nano被称的铁磁磁铁

磁性是复杂，

详述的研究工作应该执行为了

揭露粒度相关的磁性在转折

金属被掺杂的DMSs。最近，理论研究建议氧气

空位在电子结构在Co-有一伟大

在fiuence和铁磁性， Fe-， Cu掺杂了anatase和金红石

TiO2 [21-24]。 并且故意的总能表明

在过渡金属附近位于的氧气空位比那

近的钛稳定。 结果，转折金属原子

易于夺取空位电子，在

费密水平附近将改变总密度状态和因而导致

铁磁性的改进。 基于以上提到的

基本的框架，铁磁性在我们的哥斯达黎加被掺杂的

TiO2 ？lms可以把归咎到氧气空位。 不用氧气

出现在证言期间，在哥斯达黎加被掺杂的

TiO2应该有大量氧气空位？lm. 所以，

磁化是大。 在更高的PO2之下，氧气

空位部份地将补偿，导致氧气

空位的减少。如此总值磁化

减少与增加的PO2，如所显示？gure 3。 我们的

结果于最近报告也是相似的关于Ni被掺杂的TiO2

[25]和Fe被掺杂的TiO2 [26]，氧气空位

可能通过焖火大气的操作的地方

被斡旋。 此外，演算也表示，

转折金属原子和氧气空位之间的互作用

敏感地取决于他们之间的距离[21-24]。 如果

空位是进一步除转折金属原子之外，它

？在磁化最终将减少uence或

被减少了。 比较实验和演算

结果，平均磁矩每个哥斯达黎加原子在这里

氧气穷的样品在一个更低的范围。 这也许

部份地归结于氧气空位的相对地点，

不在转折金属原子最近的附近状态

。图5 (a)显示传输范围哥斯达黎加被掺杂的

TiO2影片被放置在另外PO2之下。 范围

影片显示挥动类型波纹，是光的干涉的

特征。 影片的transmittances

与更高的PO2那高于与更低的PO2。 当

波长到达紫外范围，由于

根本吸收在带隙附近，

透射率尖锐减少。 它能被看见

吸收端单调地转移到更短的波长，当PO2

增加，关联与在光学带隙上的

变化(即)。 即可以是坚定的从

吸收系数α被计算作为事件光子能量

E (hv) [27,28功能] ：

αhν = B (hν -即) 2， (2)
那里B是在被放置的影片关联以水晶结构

命令的常数。然后，即能

通过外推线性部分获得到光子

能量轴，如图5 (b)所显示。 获得即

哥斯达黎加被掺杂的TiO2 ？lm没有氧气是~3.33 eV，与

DeLoach报告的价值是定量地一致的

等[29]。 它能从即增加与增加的PO2的插页图也

被看见5 (b)。
电子测量表示，所有样品霍尔系数的

标志是正面的在室温，

建议孔统治传输机制。

然而，所有样品被放置在另外PO2之下

高度绝缘以价值在我们的仪器附近

测量极限>1011 /square的薄层电阻。

因此，抵抗力大于~106cm为考虑

厚度~200毫微米的所有样品。 我们的样品电介质

状态于最近报告是相似的关于转折金属

被掺杂的TiO2 [25,26]。4. 结论

总而言之，多晶的Cr0.05Ti0.95O2影片

由co飞溅方法准备在另外PO2之下。

铁磁性在所有样品很好被观察以TC在

390 K.之上。 影片的饱和磁化显示对

氧气成长压力的强的依赖性，当保留

恒定的哥斯达黎加含量时。 铁磁性在

影片被提高被放置以因而是氧气短少

的更低的氧气压力，表明氧气空位的一个重要角色

在哥斯达黎加被掺杂的TiO2的铁磁起源。
承认

这工作由节目在大学(NCET-04-0244

)和以下津贴支持为新的世纪

优秀天分： 中国(没有50401002和

10504024)的全国自然科学基础，全国高技术

(R